Ciclo de Otto
O ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o funcionamento de um típico motor de pistão de ignição com faísca, um ciclo mais comum em motores de automóveis de quatro tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão (escape).
O motor de quatro tempos foi primeiramente patenteado por Alphonse Beau de Rochas em 1861, que usava transformações adiabáticas e isocóricas. Mas antes disso, aproximadamente entre 1854 e 1857, havia boatos de que dois italianos (Eugenio Barsanti e Felice Matteucci) teriam inventado um motor muito semelhante, mas a patente teria sido perdida. A primeira pessoa a construir um motor de quatro tempos foi o engenheiro alemão Nikolaus Otto, em 1876, junto com Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, a partir da ideia de se utilizar benzeno como combustível. Alguns anos depois, viria a ser desenvolvido um motor estacionário que utilizava uma mistura de gás de carvão como combustível. Este princípio de quatro tempos hoje é comumente conhecido como o ciclo de Otto e motores de quatro tempos usando velas de ignição muitas vezes são chamadas motores Otto. Com seu invento, Otto ganhou a medalha de ouro da Feira de Hannover de 1867, vindo a patentear seu invento que, 19 anos depois teve a patente anulada devido ao "descobrimento" dos estudos de Alphonse Beau de Rochas na área dos motores de quatro tempos. No entanto, mesmo com o anulamento da patente, há evidências de que Otto nunca tenha feito contato com Alphonse.
O sistema é definido como a massa de ar que é extraída da atmosfera para dentro do cilindro, comprimida pelo pistão e aquecida pela faísca de ignição injetada pelo combustível, permitindo expandir à medida que comprime o pistão, e finalmente exaurir o ar de volta para a atmosfera. A massa de ar segue com seu volume, pressão e variação de temperatura durante as várias etapas termodinâmicas. O pistão é capaz de se mover ao longo do cilindro, o volume de ar muda de acordo com a posição do pistão no cilindro. Os processos de compressão e expansão do gás, induzido pelo pistão é ideal e reversível, isto é, nenhum trabalho útil é perdido pela turbulência ou pelo atrito, e nenhum calor é transferido de ou para o gás durante esses dois processos. A energia é adicionada ao ar, pela combustão do combustível. O trabalho útil é extraído pela expansão do gás no cilindro. Depois de completa a expansão no cilindro, o calor remanescente é extraído, e finalmente o gás é liberado para o meio ambiente.
Os ciclos termodinâmicos associados às máquinas reais se diferem sensivelmente da idealização, já que os processos ocorrem apenas de forma aproximada à maneira descrita e que os motores estão suscetíveis a fenômenos não reversíveis como o atrito.
Ciclo mecânico
2 - Compressão. O pistão comprime a mistura. 3 - Combustão. A vela de ignição solta uma pequena faísca, explodindo a mistura e levando o pistão de volta ao ponto morto inferior (PMI). Se limitando para os motores a combustão interna de duas válvulas, nas quais, são ligadas ao comando de válvula. Uma delas é a chamada de válvula de admissão (à direita na animação), que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e a outra é chamada de válvula de escape (ou exaustão, à esquerda na animação), que permite a expulsão para a atmosfera dos gases queimados, o ciclo de funcionamento de um motor de combustão a 4 tempos é o seguinte:
Nas etapas 1-2 e 3-4 (diagrama TxS, temperatura versus entropia) é realizado trabalho mas como processo é adiabático processo termodinâmico onde não ocorrem transferência de calor. Durante as etapas 2-3 e 4-1 os processos térmicos são isocóricos, ou seja, a transferência de calor ocorre mas nenhum trabalho é efetuado. O trabalho é realizado durante um processo térmico isocórico é zero porque para ocorrer o trabalho necessita que se tenha uma variação no volume. Partindo da equação do rendimento térmico conforme o demostrado acima: No ciclo de Otto, não há transferência de calor durante os processo térmicos das etapas 1-2 e 3-4 porque são processos adiabáticos reversíveis. Sendo assim, temos que o calor cedido e perdido pelo sistema ocorrem respectivamente nas etapas 2-3 e 4-1. Inserindo a equação específica de calor na equação de eficiência térmica, temos: A seguir, analisando os diagramas T 4 / T 1 = T 3 / T 2 {\displaystyle {T}_{4}/{T}_{1}={T}_{3}/{T}_{2}} , assim ambos podem ser omitidos. A equação se reduz para:
