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El Ciclo de Otto

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El ciclo de Otto corresponde a un motor de combustión interna en que el calentamiento ocurre a volumen constante encendiendo la mezcla una vez se ha comprimido el gas.

>Modelo

ID:(1486, 0)

Mecanismos

Descripción

El ciclo de Otto involucra cuatro etapas principales: admisión, compresión, expansión (o combustión) y escape. Durante la fase de admisión, el motor absorbe una mezcla de combustible y aire mientras el pistón se desplaza hacia abajo. Luego, la mezcla se comprime a medida que el pistón se mueve hacia arriba, lo que aumenta la temperatura y la presión del gas. En la cima del ciclo de compresión, la bujía enciende la mezcla comprimida, causando una combustión rápida conocida como el golpe de potencia. Esta combustión empuja el pistón hacia abajo, entregando potencia al motor. Después del golpe de potencia, la válvula de escape se abre y el pistón se mueve hacia arriba para expulsar los gases gastados de la combustión fuera del cilindro, completando el ciclo. El motor luego repite este ciclo continuamente durante su funcionamiento. La eficiencia de un motor que opera bajo el ciclo de Otto depende del grado de compresión y las propiedades del combustible utilizado. Relaciones de compresión más altas generalmente conducen a una mejor eficiencia pero requieren combustible de mayor octanaje para evitar la detonación del motor. El ciclo de Otto se caracteriza por ser un ciclo de alta velocidad con cada etapa claramente definida, contribuyendo significativamente a la eficiencia general y la salida de potencia de los motores que lo emplean. <druyd>mechanisms</druyd>

ID:(15282, 0)

Ciclo de Carnot

Descripción

Sadi Carnot introduced [1] the theoretical concept of the first machine design that, based on a heat gradient, can generate mechanical work. This is achieved through a process in the pressure-volume space where heat is added and extracted, as illustrated in the image: <druyd>image</druyd> The area under curve <var>8170</var>, spanning from 1 to 2, represents the energy input required to move from the state ($p_1, V_1$) to the state ($p_2, V_2$). The area under curve <var>8171</var>, going from 2 to 1, represents the energy extraction needed to return from the state ($p_2, V_2$) back to the state ($p_1, V_1$). The difference between these areas corresponds to the region enclosed by both curves and represents <var>8165</var> that the system can perform. Carnot also demonstrated that, due to the second law of thermodynamics, <var>8170</var> cannot be zero, implying that there are no machines capable of converting all heat into work. <img src='/static/icons/pub20.png' /> [1] "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" (Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas preparadas para desarrollar esa fuerza), Sadi Carnot, Annales scientifiques de lÉ.N.S. 2e série, tome 1, p. 393-457 (1872)

ID:(11131, 0)

Ciclo de Otto: Diagrama presión-volumen

Descripción

El ciclo de Otto [1] puede considerarse como una solución técnica basada en el ciclo de Carnot. En este sentido, consta de cuatro etapas que se llevan a cabo: • Etapa 1 a 2: Compresión adiabática $(p_1,V_1,T_1)\rightarrow(p_2,V_2,T_2)$, • Etapa 2 a 3: Calentamiento $(p_2,V_2,T_2)\rightarrow(p_3,V_2,T_3)$, • Etapa 3 a 4: Expansión adiabática $(p_3,V_2,T_3)\rightarrow(p_4,V_1,T_4)$, • Etapa 4 a 1: Enfriamiento $(p_4,V_1,T_4)\rightarrow(p_1,V_1,T_1)$ Estas etapas se representan en el siguiente diagrama: <druyd>image</druyd> En el diagrama se muestra el flujo de energía, donde <var>8170</var> añade energía, elevando la temperatura de <var>8490</var> a <var>8491</var>. Ingresa al sistema y realiza <var>8165,1</var> unidades de trabajo, mientras que el complemento <var>8171</var> es absorbido, disminuyendo la temperatura de <var>8492</var> a <var>8489</var>. <img src='/static/icons/pub20.png' /> [1] "Verbrennungsmotor" (Motor de combustión interna), N. A. Otto, Kaiserlichen Patentamts, Patente 532, 2 de enero de 1877. Nota: En 1862, Nikolaus Otto intentó construir el motor de combustión interna patentado por Alphonse Beau de Rochas sin éxito. Más tarde lo modificó y logró construir uno funcional en 1877, fabricando 30,000 motores silenciosos y altamente confiables. Patentó su diseño en 1877; sin embargo, la patente fue revocada posteriormente debido a la existencia de la patente de Alphonse Beau de Rochas, aunque Rochas nunca logró construir su versión. Dado que Otto fue el primero en hacer funcionar el motor, su versión se recuerda hoy en día, denominando al proceso el "Ciclo de Otto".

ID:(11140, 0)

Solución técnica

Descripción

El motor de Otto opera en dos ciclos: el ciclo de Otto propiamente dicho, que consta de las siguientes fases: • Fase 1 a 2: Compresión adiabática • Fase 2 a 3: Calentamiento • Fase 3 a 4: Expansión adiabática • Fase 4 a 1: Enfriamiento Además, tiene un ciclo de vaciado de los gases quemados y llenado con una mezcla nueva. <druyd>image</druyd> Por esta razón, se le llama un motor de dos tiempos. La fase de vaciado y llenado se puede llevar a cabo mediante una masa de compensación o a través de un segundo cilindro que opera desfasado. La eficiencia <var>5245</var> del motor se puede estimar utilizando <var>9959</var> y <var>6661</var> con la siguiente ecuación: <druyd>equation=11163</druyd>

ID:(11142, 0)

Eficiencia en función de las temperaturas

Descripción

<var>8171</var> está relacionado con <var>8481</var>, <var>8492</var> y <var>8489</var> de acuerdo con la siguiente ecuación: <druyd>equation=11145</druyd> Mientras que <var>8170</var> está relacionado con <var>8481</var>, <var>8491</var> y <var>8490</var> mediante la ecuación: <druyd>equation=11157</druyd> Así, en la ecuación para <var>5245</var> representada por: <druyd>equation=11155</druyd> Tenemos la siguiente relación: <druyd>equation=11161</druyd>

ID:(15749, 0)

Eficiencia en función del factor de compresibilidad

Descripción

<var>5245</var>, en función de <var>8489</var>, <var>8490</var>, <var>8491</var> y <var>8492</var>, se calcula mediante la ecuación: <druyd>equation=11161</druyd> En el caso de una expansión adiabática, se describe con <var>6661</var>, <var>8497</var> y <var>8498</var> mediante la relación: <druyd>equation=11159</druyd> Mientras que la compresión adiabática se representa mediante la relación: <druyd>equation=11160</druyd> Si restamos la segunda ecuación de la primera, obtenemos: <meq>(T_4 - T_1)V_1^{\kappa-1} = (T_3 - T_2)V_2^{\kappa-1}</meq> Lo cual nos lleva a la relación: <meq>\left(\displaystyle\frac{V_1}{V_2}\right)^{\kappa-1} = \displaystyle\frac{T_3 - T_2}{T_4 - T_1}</meq> Esto, a su vez, conduce a la definición de <var>9959</var> mediante la ecuación: <druyd>equation=11162</druyd> Con todos estos elementos, el rendimiento de un proceso utilizando el ciclo de Otto se puede calcular de la siguiente manera: <druyd>equation=11163</druyd>

ID:(15750, 0)

Modelo

Descripción

<druyd>model</druyd>

ID:(15341, 0)

El Ciclo de Otto

Descripción

El ciclo de Otto corresponde a un motor de combustión interna en que el calentamiento ocurre a volumen constante encendiendo la mezcla una vez se ha comprimido el gas.

Variables

Símbolo

Texto

Variable

Valor

Unidades

Calcule

Valor MKS

Unidades MKS

$Q_C$

Q_C

Calor absorbido

$c_V$

c_V

Calor específico de gases a volumen constante

J/kg K

$Q_H$

Q_H

Calor suministrado

$C_V$

C_V

Capacidad calórica a volumen constante

J/kg

$\eta$

eta

Eficiencia

$r$

Factor de compresibilidad de Otto

$\kappa$

kappa

Indice adiabático

$M$

Masa

$T_1$

T_1

Temperatura en estado 1

$T_2$

T_2

Temperatura en estado 2

$T_3$

T_3

Temperatura en estado 3

$T_4$

T_4

Temperatura en estado 4

$V_2$

V_2

Volumen comprimido

m^3

$V_1$

V_1

Volumen expandido

m^3

Cálculos

Ecuación

Número

Primero, seleccione la ecuación:

, luego, seleccione la variable:

Símbolo

Ecuación

Resuelto

Traducido

Cálculos

Símbolo

Ecuación

Resuelto

Traducido

Variable

Dado

Calcule

Objetivo :

Ecuación

A utilizar

Ecuaciones

$ c_V =\displaystyle\frac{ C_V }{ M }$

c_V = C_V / M

Siguiendo una analog a al <var>5219,0</var> de l quidos y s lidos con <var>8482</var> y <var>5215</var>: <druyd>equation=3483</druyd> existe tambi n <var>6662,1</var> para calentamiento bajo volumen constante con <var>8481</var>: <druyd>equation</druyd>

(ID 11113)

$ Q_C = C_V ( T_4 - T_1 )$

Q_C = C_V *( T_4 - T_1 )

Al retirar <var>8171</var>, la temperatura del gas aumenta de $T_1$ a $T_4$ en un proceso isob rico (a presi n constante). Esto implica que podemos utilizar la relaci n para <var>8085</var> con <var>8481</var> y <var>7510</var>, que se expresa mediante la ecuaci n: <druyd>equation=4862</druyd> Esto nos lleva a los valores de <var>8489</var> y <var>8492</var> mediante la f rmula: <druyd>equation</druyd>

(ID 11145)

$ Q_H = C_V ( T_3 - T_2 )$

Q_H = C_V *( T_3 - T_2 )

Al suministrar <var>8170</var>, la temperatura del gas aumenta de $T_2$ a $T_3$ en un proceso isoc rico (a volumen constante). Esto implica que podemos utilizar la relaci n para <var>8085</var> con <var>8481</var> y <var>7510</var>, que se expresa mediante la ecuaci n: <druyd>equation=4862</druyd> Esto nos lleva a los valores de <var>8490</var> y <var>8491</var> mediante la f rmula: <druyd>equation</druyd>

(ID 11157)

$ T_4 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_3 V_2 ^{ \kappa - 1}$

T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1)

En una expansi n adiab tica, el gas cumple con la relaci n que involucra <var>5234</var>, <var>5235</var>, <var>5236</var> y <var>5237</var>: <druyd>equation=4865</druyd> En este contexto, se pasa del punto inicial 3 al punto 4. Esto implica que durante la expansi n adiab tica, el estado del gas se modifica desde <var>8498</var> y <var>8491</var> hasta <var>8497</var> y <var>8492</var>, seg n se establece en: <druyd>equation</druyd>

(ID 11159)

$ T_1 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_2 V_2 ^{ \kappa - 1}$

T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1)

Dado que en una expansi n adiab tica, el gas satisface la relaci n con <var>5234</var>, <var>5235</var>, <var>5236</var> y <var>5237</var>: <druyd>equation=4865</druyd> En este caso, el punto inicial 1 al punto 2. Esto significa que durante la compresi n adiab tica, el estado del gas cambia de <var>8497</var> y <var>8489</var> a <var>8498</var> y <var>8490</var> de acuerdo con: <druyd>equation</druyd>

(ID 11160)

$ \eta =1-\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }$

eta =1-( T_4 - T_1 )/( T_3 - T_2 )

<var>8171</var> est relacionado con <var>8481</var>, <var>8492</var> y <var>8489</var> de acuerdo con la siguiente ecuaci n: <druyd>equation=11145</druyd> Mientras que <var>8170</var> est relacionado con <var>8481</var>, <var>8491</var> y <var>8490</var> mediante la ecuaci n: <druyd>equation=11157</druyd> As , en la ecuaci n para <var>5245</var> representada por: <druyd>equation=11155</druyd> Tenemos la siguiente relaci n: <druyd>equation</druyd>

(ID 11161)

$ r =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }$

r = V_1 / V_2

La expansi n adiab tica se describe utilizando las variables <var>6661</var>, <var>8492</var>, <var>8491</var>, <var>8497</var> y <var>8498</var>, a trav s de la relaci n <druyd>equation=11159</druyd> Mientras que la compresi n adiab tica se representa con <var>8489</var> y <var>8490</var> mediante la relaci n <druyd>equation=11160</druyd> Al restar la segunda ecuaci n de la primera, obtenemos <meq>(T_4 - T_1)V_1^{\kappa-1} = (T_3 - T_2)V_2^{\kappa-1}</meq> Lo que nos lleva a la relaci n <meq>\left(\displaystyle\frac{V_1}{V_2}\right)^{\kappa-1} = \displaystyle\frac{T_3 - T_2}{T_4 - T_1}</meq> Y esto nos permite definir <var>9959</var> de la siguiente manera: <druyd>equation</druyd>

(ID 11162)

$ \eta = 1-\displaystyle\frac{1}{ r ^{ \kappa -1}}$

eta = 1 - 1/ r ^( kappa -1)

<var>5245</var>, en funci n de <var>8489</var>, <var>8490</var>, <var>8491</var> y <var>8492</var>, se calcula mediante la ecuaci n: <druyd>equation=11161</druyd> En el caso de una expansi n adiab tica, se describe con <var>6661</var>, <var>8497</var> y <var>8498</var> mediante la relaci n: <druyd>equation=11159</druyd> Mientras que la compresi n adiab tica se representa mediante la relaci n: <druyd>equation=11160</druyd> Si restamos la segunda ecuaci n de la primera, obtenemos: <meq>(T_4 - T_1)V_1^{\kappa-1} = (T_3 - T_2)V_2^{\kappa-1}</meq> Lo cual nos lleva a la relaci n: <meq>\left(\displaystyle\frac{V_1}{V_2}\right)^{\kappa-1} = \displaystyle\frac{T_3 - T_2}{T_4 - T_1}</meq> Esto, a su vez, conduce a la definici n de <var>9959</var> mediante la ecuaci n: <druyd>equation=11162</druyd> Con todos estos elementos, el rendimiento de un proceso utilizando el ciclo de Otto se puede calcular de la siguiente manera: <druyd>equation</druyd>.

(ID 11163)

Ejemplos

Mecanismos

El ciclo de Otto involucra cuatro etapas principales: admisi n, compresi n, expansi n (o combusti n) y escape. Durante la fase de admisi n, el motor absorbe una mezcla de combustible y aire mientras el pist n se desplaza hacia abajo. Luego, la mezcla se comprime a medida que el pist n se mueve hacia arriba, lo que aumenta la temperatura y la presi n del gas. En la cima del ciclo de compresi n, la buj a enciende la mezcla comprimida, causando una combusti n r pida conocida como el golpe de potencia. Esta combusti n empuja el pist n hacia abajo, entregando potencia al motor. Despu s del golpe de potencia, la v lvula de escape se abre y el pist n se mueve hacia arriba para expulsar los gases gastados de la combusti n fuera del cilindro, completando el ciclo. El motor luego repite este ciclo continuamente durante su funcionamiento. La eficiencia de un motor que opera bajo el ciclo de Otto depende del grado de compresi n y las propiedades del combustible utilizado. Relaciones de compresi n m s altas generalmente conducen a una mejor eficiencia pero requieren combustible de mayor octanaje para evitar la detonaci n del motor. El ciclo de Otto se caracteriza por ser un ciclo de alta velocidad con cada etapa claramente definida, contribuyendo significativamente a la eficiencia general y la salida de potencia de los motores que lo emplean. <druyd>mechanisms</druyd>

(ID 15282)

Ciclo de Carnot

Sadi Carnot introduced [1] the theoretical concept of the first machine design that, based on a heat gradient, can generate mechanical work. This is achieved through a process in the pressure-volume space where heat is added and extracted, as illustrated in the image: <druyd>image</druyd> The area under curve <var>8170</var>, spanning from 1 to 2, represents the energy input required to move from the state ($p_1, V_1$) to the state ($p_2, V_2$). The area under curve <var>8171</var>, going from 2 to 1, represents the energy extraction needed to return from the state ($p_2, V_2$) back to the state ($p_1, V_1$). The difference between these areas corresponds to the region enclosed by both curves and represents <var>8165</var> that the system can perform. Carnot also demonstrated that, due to the second law of thermodynamics, <var>8170</var> cannot be zero, implying that there are no machines capable of converting all heat into work. <img src='/static/icons/pub20.png' /> [1] "R flexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres d velopper cette puissance" (Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las m quinas preparadas para desarrollar esa fuerza), Sadi Carnot, Annales scientifiques de l .N.S. 2e s rie, tome 1, p. 393-457 (1872)

(ID 11131)

Ciclo de Otto: Diagrama presi n-volumen

El ciclo de Otto [1] puede considerarse como una soluci n t cnica basada en el ciclo de Carnot. En este sentido, consta de cuatro etapas que se llevan a cabo: • Etapa 1 a 2: Compresi n adiab tica $(p_1,V_1,T_1)\rightarrow(p_2,V_2,T_2)$, • Etapa 2 a 3: Calentamiento $(p_2,V_2,T_2)\rightarrow(p_3,V_2,T_3)$, • Etapa 3 a 4: Expansi n adiab tica $(p_3,V_2,T_3)\rightarrow(p_4,V_1,T_4)$, • Etapa 4 a 1: Enfriamiento $(p_4,V_1,T_4)\rightarrow(p_1,V_1,T_1)$ Estas etapas se representan en el siguiente diagrama: <druyd>image</druyd> En el diagrama se muestra el flujo de energ a, donde <var>8170</var> a ade energ a, elevando la temperatura de <var>8490</var> a <var>8491</var>. Ingresa al sistema y realiza <var>8165,1</var> unidades de trabajo, mientras que el complemento <var>8171</var> es absorbido, disminuyendo la temperatura de <var>8492</var> a <var>8489</var>. <img src='/static/icons/pub20.png' /> [1] "Verbrennungsmotor" (Motor de combusti n interna), N. A. Otto, Kaiserlichen Patentamts, Patente 532, 2 de enero de 1877. Nota: En 1862, Nikolaus Otto intent construir el motor de combusti n interna patentado por Alphonse Beau de Rochas sin xito. M s tarde lo modific y logr construir uno funcional en 1877, fabricando 30,000 motores silenciosos y altamente confiables. Patent su dise o en 1877; sin embargo, la patente fue revocada posteriormente debido a la existencia de la patente de Alphonse Beau de Rochas, aunque Rochas nunca logr construir su versi n. Dado que Otto fue el primero en hacer funcionar el motor, su versi n se recuerda hoy en d a, denominando al proceso el "Ciclo de Otto".

(ID 11140)

Soluci n t cnica

El motor de Otto opera en dos ciclos: el ciclo de Otto propiamente dicho, que consta de las siguientes fases: • Fase 1 a 2: Compresi n adiab tica • Fase 2 a 3: Calentamiento • Fase 3 a 4: Expansi n adiab tica • Fase 4 a 1: Enfriamiento Adem s, tiene un ciclo de vaciado de los gases quemados y llenado con una mezcla nueva. <druyd>image</druyd> Por esta raz n, se le llama un motor de dos tiempos. La fase de vaciado y llenado se puede llevar a cabo mediante una masa de compensaci n o a trav s de un segundo cilindro que opera desfasado. La eficiencia <var>5245</var> del motor se puede estimar utilizando <var>9959</var> y <var>6661</var> con la siguiente ecuaci n: <druyd>equation=11163</druyd>

(ID 11142)

Eficiencia en funci n de las temperaturas

(ID 15749)

Eficiencia en funci n del factor de compresibilidad

(ID 15750)

Modelo

<druyd>model</druyd>

(ID 15341)

Compresi n adiab tica

En este caso, el punto inicial 1 al punto 2. Esto significa que durante la compresi n adiab tica, el estado del gas cambia de <var>8497</var> y <var>8489</var> a <var>8498</var> y <var>8490</var> de acuerdo con: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11160)

Calor suministrado

<var>8170</var> se puede calcular de <var>8481</var>, <var>8490</var> y <var>8491</var> mediante la f rmula: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11157)

Expansi n adiab tica

En este contexto, se pasa del punto inicial 3 al punto 4. Esto implica que durante la expansi n adiab tica, el estado del gas se modifica desde <var>8498</var> y <var>8491</var> hasta <var>8497</var> y <var>8492</var>, seg n se establece en: <druyd>kyon</druyd>.

(ID 11159)

Calor retirado

<var>8171</var> se puede calcular de <var>8481</var>, <var>8492</var> y <var>8489</var> mediante la f rmula: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11145)

Eficiencia en funci n de las temperaturas

<var>5245</var> es en funci n de <var>8489</var>, <var>8490</var>, <var>8491</var> y <var>8492</var> es igual a: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11161)

Factor de compresibilidad $r$

<var>5245</var> es en ltima instancia una funci n dependiente de <var>8497</var> y <var>8498</var>, y espec ficamente, de <var>9959</var>: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11162)

Eficiencia en funci n del factor de compresibilidad

<var>5245</var> se puede calcular de <var>9959</var> y <var>6661</var> en el caso del ciclo de Otto mediante: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11163)

Calor espec fico de gases a volumen constante

<var>6662</var> es igual a <var>8481</var> dividido por <var>5215</var>: <druyd>kyon</druyd>

(ID 11113)

ID:(1486, 0)