CICLUL OTTO: FAZE, PERFORMANȚĂ, APLICAȚII, EXERCIȚII REZOLVATE - FIZIC - 2025

Ciclul Otto este un ciclu termodinamic , care este format din două procese izocoră și două procese adiabatice. Acest ciclu apare pe un fluid termodinamic comprimabil. A fost creat de către inginerul german Nikolaus Otto la sfârșitul secolului XIX, care a perfecționat motorul cu ardere internă, predecesorul celui găsit în automobilele moderne. Ulterior, fiul său Gustav Otto a fondat celebra companie BMW.

Ciclul Otto se aplică motoarelor cu combustie internă care funcționează cu un amestec de aer și un combustibil volatil, cum ar fi benzina, gazul sau alcoolul și a cărui ardere este pornită cu o scânteie electrică.

Figura 1. Mașini într-o competiție Nascar. Sursa: Pixabay.

Fazele ciclului Otto

Etapele ciclului Otto sunt:

1. Compresie adiabatică (fără schimb de căldură cu mediul).
2. Absorbția energiei termice sub formă izochorică (fără modificarea volumului).
3. Expansiune adiabatică (fără schimb de căldură cu mediul).
4. Expulzarea energiei termice sub formă izochorică (fără modificarea volumului).

Figura 2, prezentată mai jos, arată diferitele faze ale ciclului Otto într-o diagramă PV (presiune-volum).

Figura 2. Schema fotovoltaică a ciclului Otto. Sursa: creată de sine.

cerere

Ciclul Otto se aplică în mod egal motoarelor cu combustie internă în patru timpi și în doi timpi.

-Motor în 4 timpi

Acest motor este format dintr-unul sau mai mulți pistoane într-un cilindru, fiecare cu una (sau două) valve de admisie și una (sau două) valve de evacuare.

Se numește astfel, deoarece funcționarea sa are exact patru ori sau etapele bine marcate care sunt:

1. Admiterea.
2. Comprimare.
3. Explozia.
4. Evadarea.

Aceste etape sau momente apar în timpul a două viraje ale arborelui cotit, deoarece pistonul coboară și se ridică în timpurile 1 și 2, iar din nou coboară și se ridică în timpurile 3 și 4.

Mai jos vom descrie în detaliu ce se întâmplă în aceste etape.

Pasul 1

Coborârea pistonului din punctul cel mai înalt, cu supapele de admisie deschise și supapele de evacuare închise, astfel încât amestecul aer-combustibil să fie atras în piston în timpul coborârii.

Aportul are loc în timpul etapei OA a diagramei ciclului Otto la presiunea atmosferică PA. În această etapă a fost încorporat amestecul aer-combustibil, care este fluidul comprimabil pe care se vor aplica etapele AB, BC, CD și DA ale ciclului Otto.

Pasul 2

Cu puțin timp înainte ca pistonul să atingă punctul cel mai jos, ambele valve se închid. Apoi începe să crească astfel încât comprimă amestecul de aer-combustibil. Acest proces de compresie are loc atât de rapid, încât nu dă practic căldură mediului. În ciclul Otto corespunde procesului adiabatic AB.

Pasul 3

În punctul cel mai înalt al pistonului, cu amestecul comprimat și supapele închise, are loc o combustie explozivă a amestecului inițiat de scânteie. Această explozie este atât de rapidă încât pistolul abia a coborât.

În ciclul Otto corespunde procedeului izoic BC, unde se injectează căldură fără schimbarea de volum apreciabilă, crescând astfel presiunea amestecului. Căldura este asigurată de reacția chimică de ardere a oxigenului în aer cu combustibil.

Pasul 4

Amestecul de înaltă presiune se extinde determinând coborarea pistonului în timp ce supapele rămân închise. Acest proces are loc atât de rapid încât schimbul de căldură cu exteriorul este neglijabil.

În acest moment se lucrează pozitiv la piston, care este transmis de tija de conectare la arborele cotit producând forța motrice. În ciclul Otto corespunde CD-ului procesului adiabatic.

Pasul 5

În timpul părții inferioare a cursei, căldura este expulzată prin cilindru în agentul frigorific, fără ca volumul să se schimbe considerabil. În ciclul Otto corespunde procesului izoic DA.

Pasul 6

În partea finală a cursei pistonului, amestecul ars este expulzat de robinetul de evacuare care rămâne deschis, în timp ce supapa de admisie este închisă. Evacuarea gazelor arse are loc în timpul etapei AO din diagrama ciclului Otto.

Întregul proces se repetă odată cu intrarea prin supapa de admisie a unui nou amestec de aer-combustibil.

Figura 3. Motor în patru timpi. Sursa: pixabay

Lucrări nete realizate în ciclul Otto

Ciclul Otto funcționează ca un motor de căldură și este acționat în sensul acelor de ceasornic.

Lucrarea W realizată de un gaz care extinde pereții care o conțin este calculată după următoarea formulă:

Unde Vi este volumul inițial și Vf volumul final.

Într-un ciclu termodinamic lucrarea netă corespunde zonei închise în ciclul diagramei P-V.

În cazul ciclului Otto, acesta corespunde lucrărilor mecanice efectuate de la A la B, plus lucrărilor mecanice efectuate de la C la D. Între B și C munca depusă este zero, deoarece nu există nicio modificare de volum. În mod similar între D și A lucrarea este nulă.

Lucrări făcute de la A la B

Să presupunem că pornim de la punctul A, unde este cunoscut volumul său Va, presiunea sa Pa și temperatura Ta.

De la punctul A la punctul B se realizează o compresie adiabatică. În condiții cvasistatice, procesele adiabatice respectă legea lui Poisson, care prevede că:

Unde γ este coeficientul adiabatic definit ca coeficientul dintre căldura specifică la presiune constantă și căldura specifică la volum constant.

Deci munca depusă de la A la B ar fi calculată prin relația:

După preluarea integrală și utilizarea raportului Poisson pentru procesul adiabatic, avem:

Unde r este raportul de compresie r = Va / Vb.

Lucrări făcute de la C la D

În mod similar, munca depusă de la C la D ar fi calculată de integral:

Al cărui rezultat este

Unde r = Vd / Vc = Va / Vb este raportul de compresie.

Lucrarea netă va fi suma celor două locuri de muncă:

Căldură netă în ciclul Otto

În procesele de la A la B și de la C la D nu se schimbă căldură, deoarece sunt procese adiabatice.

Pentru procesul de la B la C, nu se lucrează și căldura dată de combustie crește energia internă a gazului și, prin urmare, temperatura acestuia de la Tb la Tc.

În mod similar, în procesul de la D la A există transfer de căldură care este, de asemenea, calculat ca:

Căldura netă va fi:

performanţă

Performanța sau eficiența unui motor ciclic se calculează prin găsirea coeficientului dintre lucrarea netă și căldura furnizată sistemului pentru fiecare ciclu de funcționare.

Dacă rezultatele anterioare sunt substituite în expresia anterioară și se presupune că amestecul de aer combustibil se comportă ca un gaz ideal, atunci se atinge eficiența teoretică a ciclului, care depinde doar de raportul de compresie:

Exerciții rezolvate ale ciclului Otto

-Exercitiul 1

Un motor pe benzină în patru timpi de 1500 cmc, cu un raport de compresie de 7,5, funcționează într-un mediu cu presiune atmosferică de 100 kPa și 20 de grade Celsius. Determinați activitatea netă pe ciclu. Presupunem că combustia contribuie cu 850 de Joule pentru fiecare gram de amestec de aer-combustibil.

Soluţie

Expresia netă de lucru fusese calculată anterior:

Trebuie să determinăm volumul și presiunea în punctele B și C ale ciclului pentru a determina munca netă efectuată.

Volumul în punctul A unde cilindrul a fost umplut cu amestecul aer-benzină este deplasarea de 1500 cmc. În punctul B volumul este Vb = Va / r = 200 cc.

Volumul la punctul C este de asemenea de 200 cmc.

Calcularea presiunii la A, B și C

Presiunea din punctul A este presiunea atmosferică. Presiunea din punctul B poate fi calculată folosind raportul Poisson pentru un proces adiabatic:

Ținând cont de faptul că amestecul este predominant aer care poate fi tratat ca un gaz ideal diatomic, coeficientul adiabatic gamma ia valoarea 1.4. Apoi presiunea din punctul B va fi de 1837,9 kPa.

Volumul punctului C este același cu cel al punctului B, adică 200 cmc.

Presiunea din punctul C este mai mare decât în ​​punctul B datorită creșterii temperaturii cauzate de ardere. Pentru a o calcula, trebuie să știm cât de multă căldură a contribuit arderea.

Căldura contribuită prin ardere este proporțională cu cantitatea de amestec care este arsă.

Folosind ecuația ideală de stare a gazului:

Deci, căldura contribuită prin ardere este de 1,78 grame x 850 Joule / gram = 1513 Joule. Aceasta provoacă o creștere a temperaturii din care se poate calcula

Tb poate fi calculat din ecuația stării care rezultă în 718 K, deci pentru datele noastre, valoarea rezultată a Tc este 1902 K.

Presiunea din punctul C este dată de ecuația de stare aplicată la acel punct, rezultând 4868,6 kPa.

Lucrul net pe ciclu este apoi de 838,5 Joule.

-Exercitiul 2

Determinați eficiența sau performanța motorului din exercițiul 1. Presupunând că motorul funcționează la 3000 rpm, determinați puterea.

Soluţie

Împărțirea muncii nete la căldura furnizată oferă o eficiență de 55,4%. Acest rezultat coincide cu cel obținut prin aplicarea directă a formulei pentru eficiență în funcție de raportul de compresie.

Puterea este munca depusă pe unitatea de timp. 3000 rpm echivalează cu 50 de rotații pe secundă. Dar ciclul Otto este finalizat la fiecare două rotații ale motorului, deoarece este un motor în patru timpi, așa cum am explicat anterior.

Aceasta înseamnă că într-o secundă ciclul Otto se repetă de 25 de ori, astfel încât munca depusă este de 25 x 838,5 Joule într-o secundă.

Aceasta corespunde la 20,9 kilowati de putere echivalent cu 28 de cai putere.

Referințe

1. Cicluri termodinamice. Recuperat din: fis.puc.cl
2. Martín, T. și Serrano, ciclul A. Otto. Recuperat din: 2.montes.upm.es.
3. Universitatea din Sevilla. Wiki al departamentului de fizică aplicată Otto studiu de caz. Recuperat din: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Ciclul Otto. Recuperat din: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Motor Otto. Recuperat din: es.wikipedia.com