Calculadora del ciclo Otto (eficiencia, temperaturas, presiones y PME)
Ciclo Otto de aire estándar: eficiencia térmica a partir de la relación de compresión y γ, más temperatura, presión y volumen de los cuatro estados, trabajo neto, calor rechazado y presión media efectiva.
Cómo funciona
η = 1 − 1/r^(γ−1) · T₂ = T₁·r^(γ−1), P₂ = P₁·r^γ · T₃ = T₂ + q_ent/cv, P₃ = P₂·T₃/T₂ · T₄ = T₃/r^(γ−1) · w_neto = η·q_ent · PME = w_neto / (v₁ − v₂), con v₁ = R·T₁/P₁ y R = cv(γ − 1)
El ciclo Otto es el modelo ideal de un motor de gasolina de encendido por chispa: compresión isentrópica (1→2), suministro de calor a volumen constante al quemarse la mezcla (2→3), expansión isentrópica (3→4) y rechazo de calor a volumen constante (4→1). Con las hipótesis de aire estándar —aire como gas ideal con calores específicos constantes— la eficiencia depende solo de la relación de compresión y de γ; por eso los motores de mayor compresión son más eficientes (hasta que aparece el cascabeleo o detonación). Los motores reales alcanzan entre la mitad y dos tercios de este valor ideal. Las ecuaciones siguen a Çengel y Boles, Termodinámica, capítulo 9.
Ejemplo resuelto
Con r = 10 y γ = 1.4, η = 1 − 1/10^0.4 = 1 − 0.3981 = 60.19%. El aire entra a 27 °C (300.15 K) y 100 kPa: T₂ = 300.15 × 10^0.4 = 753.9 K y P₂ = 100 × 10^1.4 = 2,511.9 kPa. Al suministrar 1,800 kJ/kg, T₃ sube a 753.9 + 1,800/0.718 = 3,260.9 K. El trabajo neto es 0.6019 × 1,800 = 1,083.41 kJ/kg, se rechazan 716.59 kJ/kg y la presión media efectiva es 1,396.5 kPa.
Fuentes: Çengel & Boles — Thermodynamics: An Engineering Approach, Ch. 9 (Otto cycle) · NASA Glenn Research Center — Ideal Otto Cycle
Preguntas frecuentes
¿Por qué una relación de compresión más alta da mejor eficiencia?
Comprimir más la mezcla eleva la temperatura a la que se suministra el calor respecto a la temperatura a la que se rechaza, así que una mayor parte del calor se convierte en trabajo. Con γ = 1.4 la eficiencia sube de cerca de 47.5% con r = 5 a 60% con r = 10.
¿Por qué los motores reales son mucho menos eficientes?
La fricción, la pérdida de calor por las paredes del cilindro, la combustión incompleta, el tiempo finito de combustión, las pérdidas de bombeo y la caída de γ a alta temperatura reducen la eficiencia real a un 25–40%.
¿Qué es la presión media efectiva (PME)?
Es la presión constante que, actuando sobre el pistón durante toda la carrera, produciría el mismo trabajo neto que el ciclo real. Permite comparar motores de distinto tamaño.
¿En qué se diferencia el ciclo Otto del ciclo Diésel?
El ciclo Otto suministra el calor a volumen constante (encendido por chispa); el Diésel lo hace a presión constante (encendido por compresión). Con la misma relación de compresión el Otto es más eficiente, pero los diésel trabajan con relaciones mucho más altas.
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Los resultados suponen el modelo idealizado de libro de texto descrito arriba; los sistemas reales tienen pérdidas y tolerancias, así que verifica los valores críticos para la seguridad con mediciones o con un ingeniero calificado.