Motor a gasolina: O ciclo Otto descreve o funcionamento idealizado de
um motor a gasolina. Esse ciclo consiste em duas tranformações adiabáticas e duas isovolumétricas alternadas entre si. Faça o diagrama
para o ciclo Otto. Deduza uma expressão para a eficiência desse ciclo em termos da razão de compressão
e de
. Considerando agora
e
, calcule o valor numérico da eficiência. Os motores dos veículos a gasolina possuem uma eficiência que varia da ordem de (27-38)% muito menor do que o seu valor encontrado teoricamente, discuta a razão disso. O que você acha que poderia ser feito para aumentar a eficiência desses motores?
um motor a gasolina. Esse ciclo consiste em duas tranformações adiabáticas e duas isovolumétricas alternadas entre si. Faça o diagrama
Passo 1
O enunciado trata do ciclo Otto, um ciclo termodinâmico ideal para motores a gasolina, composto por duas transformações adiabáticas (sem troca de calor) e duas isovolumétricas (volume constante). Vamos desenhar o diagrama
–
e, a partir da primeira lei da termodinâmica e das relações de processo adiabático de um gás perfeito, deduzir a eficiência
em função da razão de compressão
e do expoente adiabático
. Depois, com
e
, calculamos o valor numérico de
. Em seguida discutimos por que motores reais ficam em torno de 27–38 % e como poderíamos aumentar a eficiência.
Passo 2
No diagrama
–
o ciclo Otto é representado assim:
1–2: compressão adiabática de até
, isto é, curva que sobe e reduz volume.
2–3: aquecimento isocórico em , pressão sobe verticalmente.
3–4: expansão adiabática de até
, curva que desce e aumenta volume.
4–1: resfriamento isocórico em , pressão cai verticalmente e fecha o ciclo.
1–2: compressão adiabática de
2–3: aquecimento isocórico em
3–4: expansão adiabática de
4–1: resfriamento isocórico em
Passo 3
Aplicamos que a eficiência é
onde nos processos isocóricos:
Pelas relações adiabáticas de gás perfeito temos
Logo
Portanto
Passo 4
Para
e
temos
e
logo
Passo 5
Motores reais apresentam cerca de 27–38 % de eficiência devido a várias irreversibilidades: atrito mecânico, perdas de calor pelas paredes do cilindro, combustão não instantânea nem uniforme, bombordo de gases frescos e exaustão, e limitações de razão de compressão para evitar detonação.
Para elevar a eficiência pode-se aumentar a razão de compressão (materiais avançados e controle de detonação), usar turbos ou superchargers para arrefecer e comprimir a mistura (permite maior expansão), empregar ciclos de expansão estendida (Atkinson), recuperação de calor dos gases de escape (regeneradores) e diminuir perdas de calor (revestimentos cerâmicos nos cilindros).
Para elevar a eficiência pode-se aumentar a razão de compressão (materiais avançados e controle de detonação), usar turbos ou superchargers para arrefecer e comprimir a mistura (permite maior expansão), empregar ciclos de expansão estendida (Atkinson), recuperação de calor dos gases de escape (regeneradores) e diminuir perdas de calor (revestimentos cerâmicos nos cilindros).
Resposta
A eficiência do ciclo Otto é
e, para
e
, vale aproximadamente
.