Fisica Ciclo Otto1.docx

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Ciclo Otto

Ing. Marcia Morales Estudiante: Loor Jordan Departamento de Ciencias Exactas Física , Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga, Latacunga, Ecuador E-mail: [email protected] (Recibido el 24 de Enero; aceptado el 25 de Enero)

Abstract The Otto cycle is the thermodynamic cycle that is applied in the ignited internal combustion engines (gasoline engines). Invented by Nicolaus Otto in 1876. It is characterized in that in a first theoretical approach, all heat is supplied at constant volume. Many of the thermal machines currently being built (truck engines, cars, machinery, etc.) are equipped with an engine called a four-stroke engine. The cycle describing the working fluid of such machines is called the Otto cycle. Keywords: Cycle, otto, engine, machinery.

Resumen El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Inventado por Nicolaus Otto en 1876. Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores de camiones, coches, maquinaria, etc.) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos. El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto.

Palabras claves: ciclo, otto, motor, maquinaria.

2 1.

OBJETIVO.

Dar a conocer las generalidades y las principales características, identificar y analizar las principales aplicaciones del ciclo otto.

2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. En el ciclo de Otto, el fluido de trabajo es una mezcla de aire y gasolina que experimenta una serie de transformaciones (seis etapas, aunque el trabajo realizado en dos de ellas se cancela) en el interior de un cilindro provisto de un pistón. El proceso consta de seis etapas: 1 - Admisión: la válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la mezcla de aire y gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se desplaza hasta el denominado punto muerto inferior (PMI). 2 - Compresión adiabática: la mezcla de aire y gasolina se comprime sin intercambiar calor con el exterior. La transformación es por tanto isentrópica. La posición que alcanza el pistón se denomina punto muerto superior (PMS). El trabajo realizado por la mezcla en esta etapa es negativo, ya que ésta se comprime. 3 - Explosión: la bujía se activa, salta una chispa y la mezcla se enciende. Durante esta transformación la presión aumenta a volumen constante. 4 - Expansión adiabática: la mezcla se expande adiabáticamente. Durante este proceso, la energía química liberada durante la combustión se transforma en energía mecánica, ya que el trabajo durante esta transformación es positivo. 5 - Enfriamiento isócoro: durante esta etapa la presión disminuye y la mezcla se enfría liberándose calor al exterior. 6 - Escape: la válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.

El trabajo total realizado durante el ciclo es positivo (ya que éste se recorre en sentido horario). Como se observa en la parte izquierda de la animación, el trabajo realizado por el sistema durante las etapas 01 y 10 es igual en valor absoluto pero de signo contrario, por lo que no contribuyen al trabajo total. El movimiento del pistón se transmite a la biela (representada en naranja en la figura) y de ésta al cigüeñal. Posteriormente este movimiento se transmite a las ruedas.

Rendimiento del ciclo de Otto ideal El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de trabajo:

𝑛=

𝑊𝑇 𝑄𝑐𝑒𝑑 =1− 𝑄𝑎𝑏𝑠 𝑄𝑎𝑏𝑠

La absorción de calor tiene lugar en la etapa 3 y la cesión en la 5, por lo que:

𝑛 =1−

𝑄5 𝑄3

Suponiendo que la mezcla de aire y gasolina se comporta como un gas ideal, los calores que aparecen en la ecuación anterior vienen dados por: 𝑄3 = 𝑛𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 ) 𝑄4 = 𝑛𝐶𝑣 (𝑇1 − 𝑇4 )

Ya que ambas transformaciones son isocoras. Sustituyendo en la expresión del rendimiento:

𝑛 =1−

𝑛𝐶𝑣 (𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑛𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 )

=1−

𝑇4 − 𝑇1 𝑇3 − 𝑇2

Las transformaciones 2 y 4 son adiabáticas, por lo que: 𝑇1 𝑉1 𝑌−1 = 𝑇2 𝑉2 𝑌−1 𝑇4 𝑉1 𝑌−1 = 𝑇3 𝑉2 𝑌−1

3 Puesto que V2 = V3 y V4 = V1. Restando, (𝑇4 − 𝑇1 )𝑉1 𝑌−1 = (𝑇3 − 𝑇2 )𝑐𝑉2 𝑌−1

𝑉2 = ( )𝑌−1 𝑇3 − 𝑇2 𝑉1 𝑇4 − 𝑇1

La relación entre volúmenes V1/V2 se denomina relación de compresión (r). Sustituyendo en la expresión del rendimiento se obtiene:

𝑉2 𝑛 = 1 − ( )𝑌−1 𝑉1 El rendimiento expresado en función de la relación de compresión es:

𝑛=1−

1 𝑟 𝑦−1

Cuanto mayor sea la relación de compresión, mayor será el rendimiento del ciclo de Otto.

Ciclo de Otto real

En la figura están indicados de forma aproximada los puntos del ciclo donde tienen lugar la explosión y el escape respectivamente.

3. CONCLUSIONES Una vez realizado el trabajo se pudo comprender correctamente el proceso por el cual pasa el ciclo otto y su historia.

En la práctica, ni las transformaciones adiabáticas del ciclo de Otto son adiabáticas (isentrópicas) ni las transformaciones isocoras de la animación anterior tienen lugar a volumen constante.

Concluido el trabajo se conoció los pasos que experimenta el ciclo otto.

En la siguiente figura se ha representado un esquema del ciclo real de Otto superpuesto con el ideal analizado en las secciones anteriores.

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