Siklus Otto: fase, kinerja, kegunaan, latihan yang diselesaikan

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang terdiri dari dua proses isokhorik dan dua proses adiabatik. Siklus ini terjadi pada fluida termodinamika kompresibel. Itu diciptakan oleh insinyur Jerman Nikolaus Otto pada akhir abad ke-19, yang menyempurnakan mesin pembakaran internal, pendahulu yang ditemukan di mobil cararn. Kemudian putranya Gustav Otto mendirikan perusahaan BMW yang terkenal.

Siklus Otto diterapkan pada mesin pembakaran dalam yang bekerja dengan campuran udara dan bahan bakar yang mudah menguap seperti bensin, gas, atau alkohol, dan yang pembakarannya dimulai dengan percikan listrik.

Gambar 1. Mobil dalam kompetisi Nascar. Sumber: Pixabay.

Fase dari siklus Otto

Langkah-langkah dari siklus Otto adalah:

  1. Kompresi adiabatik (tidak ada pertukaran panas dengan lingkungan).
  2. Penyerapan energi panas dalam bentuk isokhorik (tanpa mengubah volume).
  3. Ekspansi adiabatik (tanpa pertukaran panas dengan lingkungan).
  4. Pengusiran energi panas dalam bentuk isokhorik (tanpa mengubah volume).

Gambar 2, ditunjukkan di bawah, menunjukkan fase yang berbeda dari siklus Otto dalam diagram PV ( volume tekanan ).

Gambar 2. Diagram PV dari siklus Otto. Sumber: buatan sendiri.

Kegunaan

Siklus Otto berlaku sama untuk mesin pembakaran internal empat langkah dan dua langkah.

-Mesin 4 tak

Mesin ini terdiri dari satu atau lebih piston dalam satu silinder, masing-masing dengan satu (atau dua) katup masuk dan satu (atau dua) katup buang.

Dinamakan demikian karena operasinya memiliki tepat empat kali atau tahapan yang ditandai dengan baik yaitu:

  1. Penerimaan.
  2. Kompresi.
  3. Ledakan.
  4. Pelepasan.

Tahapan atau waktu ini terjadi selama dua putaran poros engkol, karena piston turun dan naik di waktu 1 dan 2, dan turun lagi dan naik lagi di waktu 3 dan 4.

Di bawah ini kita jelaskan secara rinci apa yang terjadi selama tahap-tahap ini.

Langkah 1

Menurunkan piston dari titik tertinggi dengan katup masuk terbuka dan katup buang tertutup, sehingga campuran udara-bahan bakar ditarik ke dalam piston saat turun.

Asupan terjadi selama langkah OA dari diagram siklus Otto pada tekanan atmosfer PA. Pada tahap ini campuran udara-bahan bakar telah dimasukkan, yang merupakan fluida kompresibel dimana tahap AB, BC, CD dan DA dari siklus Otto akan diterapkan.

Langkah 2

Sesaat sebelum piston mencapai titik terendah kedua katup menutup. Kemudian mulai naik sedemikian rupa sehingga memampatkan campuran udara-bahan bakar. Proses kompresi ini terjadi begitu cepat sehingga praktis tidak melepaskan panas ke lingkungan. Dalam siklus Otto itu sesuai dengan proses adiabatik AB.

Langkah 3

Pada titik tertinggi piston, dengan campuran dikompresi dan katup tertutup, pembakaran eksplosif dari campuran yang diprakarsai oleh percikan api terjadi. Ledakan ini sangat cepat sehingga piston hampir tidak turun.

Dalam siklus Otto itu sesuai dengan proses BC isokhorik di mana panas disuntikkan tanpa perubahan volume yang berarti, akibatnya meningkatkan tekanan campuran. Panas disediakan oleh reaksi kimia pembakaran oksigen di udara dengan bahan bakar.

Langkah 4

Campuran tekanan tinggi mengembang menyebabkan piston turun sementara katup tetap tertutup. Proses ini terjadi begitu cepat sehingga pertukaran panas dengan luar dapat diabaikan.

Pada titik ini kerja positif dilakukan pada piston, yang ditransmisikan oleh batang penghubung ke poros engkol yang menghasilkan gaya gerak. Dalam siklus Otto itu sesuai dengan CD proses adiabatik.

Langkah 5

Selama bagian bawah langkah, panas dikeluarkan melalui silinder ke dalam zat pendingin, tanpa perubahan volume yang berarti. Dalam siklus Otto itu sesuai dengan proses isokhorik DA.

Langkah 6

Pada bagian akhir langkah piston, campuran yang terbakar dikeluarkan melalui katup buang yang tetap terbuka, sedangkan katup masuk tertutup. Keluarnya gas yang terbakar terjadi selama langkah AO dalam diagram siklus Otto.

Seluruh proses diulangi dengan masuknya campuran udara-bahan bakar melalui katup masuk.

Gambar 3. Mesin empat langkah. Sumber: pixabay

Usaha bersih yang dilakukan dalam siklus Otto

Siklus Otto bekerja seperti mesin kalor dan dijalankan searah jarum jam.

Usaha W yang dilakukan oleh gas yang memuaikan dinding yang menampungnya dihitung dengan rumus berikut:

Dimana Vi adalah volume awal dan Vf adalah volume akhir.

Dalam siklus termodinamika, kerja bersih sesuai dengan luas yang tercakup dalam siklus diagram P – V.

Dalam kasus siklus Otto, itu sesuai dengan kerja mekanis yang dilakukan dari A ke B ditambah kerja mekanis yang dilakukan dari C ke D. Antara B dan C kerja yang dilakukan adalah nol karena tidak ada perubahan volume. Demikian pula antara D dan A pekerjaan adalah nol.

Usaha yang dilakukan dari A ke B

Misalkan kita mulai dari titik A, di mana volumenya Va, tekanannya Pa dan suhunya Ta diketahui.

Dari titik A ke titik B dilakukan kompresi adiabatik. Dalam kondisi kuasi-statis, proses adiabatik mematuhi hukum Poisson, yang menyatakan bahwa:

Dimana adalah hasil bagi adiabatik yang didefinisikan sebagai hasil bagi antara panas jenis pada tekanan konstan dan panas jenis pada volume konstan.

Jadi usaha yang dilakukan dari A ke B akan dihitung dengan relasi:

Setelah mengambil integral dan menggunakan rasio Poisson untuk proses adiabatik, kita memperoleh:

Dimana r adalah rasio kompresi r = Va / Vb .

Usaha yang dilakukan dari C ke D

Demikian pula pekerjaan yang dilakukan dari C ke D akan dihitung dengan integral:

Hasil

Dimana r = Vd / Vc = Va / Vb adalah rasio kompresi.

Kerja bersih akan menjadi jumlah dari dua usaha:

Kalor bersih dalam siklus Otto

Dalam proses dari A ke B dan dari C ke D tidak ada kalor yang dipertukarkan karena merupakan proses adiabatik.

Untuk proses dari B ke C, tidak ada usaha yang dilakukan dan kalor yang dipindahkan oleh pembakaran meningkatkan energi internal gas dan oleh karena itu suhunya dari Tb ke Tc.

Demikian pula pada proses dari D ke A terjadi perpindahan panas yang juga dihitung sebagai:

Panas bersih akan menjadi:

Kinerja

Kinerja atau efisiensi motor siklik dihitung dengan mencari hasil bagi antara kerja bersih yang dilakukan dan panas yang disuplai ke sistem untuk setiap siklus operasi.

Jika hasil sebelumnya disubstitusikan dalam ekspresi sebelumnya dan asumsi juga dibuat bahwa campuran bahan bakar udara berperilaku sebagai gas ideal, maka efisiensi teoritis siklus tercapai, yang hanya bergantung pada rasio kompresi:

Soal latihan siklus Otto

-Latihan 1

Mesin bensin empat langkah dengan kapasitas 1500 cc dan rasio kompresi 7,5 bekerja di lingkungan dengan tekanan atmosfer 100 kPa dan 20 derajat Celcius. Tentukan kerja bersih yang dilakukan per siklus. Asumsikan bahwa pembakaran memberikan kontribusi 850 Joule untuk setiap gram campuran udara-bahan bakar.

Penyelesaian

Ekspresi kerja bersih telah dihitung sebelumnya:

Kita perlu menentukan volume dan tekanan pada titik B dan C dari siklus untuk menentukan kerja bersih yang dilakukan.

Volume di titik A di mana silinder telah diisi dengan campuran udara-bensin adalah perpindahan 1500 cc. Di titik B volumenya adalah Vb = Va / r = 200 cc.

Volume di titik C juga 200 cc.

Perhitungan tekanan di A, B dan C

Tekanan di titik A adalah tekanan atmosfer. Tekanan di titik B dapat dihitung menggunakan rasio Poisson untuk proses adiabatik:

Mempertimbangkan bahwa campuran tersebut didominasi udara yang dapat diperlakukan sebagai gas ideal diatomik, koefisien gamma adiabatik mengambil nilai 1,4. Maka tekanan di titik B adalah 1837,9 kPa.

Volume titik C sama dengan volume titik B, yaitu 200 cc.

Tekanan di titik C lebih tinggi daripada di titik B karena kenaikan suhu yang disebabkan oleh pembakaran. Untuk menghitungnya, kita perlu mengetahui berapa banyak panas yang disumbangkan oleh pembakaran.

Panas yang disumbangkan oleh pembakaran sebanding dengan jumlah campuran yang dibakar.

Menggunakan persamaan keadaan gas ideal:

Jadi kalor yang disumbangkan oleh pembakaran adalah 1,78 gram x 850 Joule / gram = 1513 Joule. Hal ini menyebabkan kenaikan suhu yang dapat dihitung dari

Tb dapat dihitung dari persamaan keadaan yang menghasilkan 718 K, jadi untuk data kita, nilai Tc yang dihasilkan adalah 1902 K.

Tekanan di titik C diberikan oleh persamaan keadaan yang diterapkan pada titik tersebut yang menghasilkan 4868,6 kPa.

Kerja bersih per siklus kemudian menjadi 838,5 Joule.

-Latihan 2

Tentukan efisiensi atau unjuk kerja motor dari Latihan 1. Dengan asumsi motor berjalan pada 3000 rpm, tentukan daya .

Penyelesaian

Membagi kerja bersih dengan panas yang diberikan memberikan efisiensi 55,4%. Hasil ini bertepatan dengan yang diperoleh dengan penerapan langsung rumus efisiensi sebagai fungsi rasio kompresi.

Daya adalah usaha yang dilakukan per satuan waktu. 3000 rpm sama dengan 50 putaran per detik. Tetapi siklus Otto selesai untuk setiap dua putaran mesin karena ini adalah mesin empat langkah, seperti yang telah kita jelaskan sebelumnya.

Artinya dalam satu detik siklus Otto diulang sebanyak 25 kali sehingga usaha yang dilakukan adalah 25 x 838,5 Joule dalam satu detik.

Ini setara dengan 20,9 kilowatt daya yang setara dengan 28 tenaga kuda.

Referensi

  1. Siklus termodinamika. Dipulihkan dari: fis.puc.cl
  2. Martín, T. dan Serrano, siklus A. Otto. Dipulihkan dari: 2.montes.upm.es.
  3. Universitas Sevilla. Wiki dari Departemen Fisika Terapan studi kasus siklus Otto. Dipulihkan dari: laplace.us.es.
  4. Wikipedia. siklus Otto. Dipulihkan dari: es.wikipedia.com
  5. Wikipedia. mesin Otto. Dipulihkan dari: es.wikipedia.com

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan