¿Cómo funciona el motor de un coche? ¿De qué depende que consuma más o menos gasolina? ¿Es mejor para el consumo ir deprisa o ir despacio? El experimento virtual que se presenta a continuación pretende aclarar cuestiones como las anteriores y mostrar algunas de las muchas aplicaciones prácticas que presenta la termodinámica y que nos hacen la vida más fácil todos los días.
En el experimento virtual se muestra el comportamiento de un coche que funciona con un motor cuyo fluido de trabajo (aire mezclado con una pequeña cantidad de gasolina) sigue un ciclo de Otto. Por un lado, en los dos paneles superiores, se pretende el estudio del ciclo seguido por el motor. Así, el panel de la derecha es una gráfica que muestra el estado de presión y volumen en el que se encuentra el fluido en cada momento. El de la izquierda constituye una animación del motor en la que se pueden apreciar las sucesivas expansiones y compresiones que tienen lugar en el ciclo que se sigue.
Por otra parte, en el panel inferior, se muestra de forma esquemática un coche que recorre la distancia que le permita la cantidad de gasolina que alimenta al motor, a una velocidad que se puede elegir como dato de entrada.
El ciclo de Otto consta de cuatro fases de operación:
Entra el aire mezclado con combustible en el motor (que se encuentra a presión atmosférica al estar el ciclo abierto al exterior en esta fase). Se comprime el gas adiabáticamente. Las dos fases tratadas en esta etapa pueden ser abordadas de forma independiente, pero para la realización del experimento virtual se supone que el aire entra de forma instantánea y comienza a comprimirse.
En el punto en el que se alcanza el volumen mínimo salta una chispa que provoca la combustión de la gasolina, lo que calienta bruscamente el aire.
La alta temperatura que se alcanza en la fase anterior provoca que se dé una expansión adiabática
El aire experimenta un enfriamiento a volumen constante y es expulsado del motor, para que vuelva a entrar aire nuevo mezclado con combustible en la fase de admisión. De igual forma que en la primera fase, se podría tratar el enfriamiento y el escape como independientes, no obstante, se consideran en la misma etapa para la realización del experimento virtual.
Para más información puede consultar el sitio web http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto.
Para la resolución del problema, se ha supuesto un modelo con algunas aproximaciones para estudiar su comportamiento de la forma más sencilla y, al mismo tiempo, realista posible. Así, se supone que el motor está aislado térmicamente del exterior, por lo que no se consideran las pérdidas de calor a través de sus paredes; se toma un ciclo de Otto ideal; se considera que la quema de la gasolina produce una energía constante en cada ciclo (que puede ser elegida por el usuario); se toma el aire como un gas monoatómico con coeficiente de dilatación adiabática de 1.4; se supone que el rozamiento que experimenta el coche (con el suelo y con el aire) es constante para todo el recorrido que lleve a cabo el mismo; no se considera la energía asociada al cambio de marchas, el aire acondicionado, …; la velocidad del coche es constante y empieza su movimiento desde esa misma velocidad sin aceleración inicial; se toma la carretera recorrida como plana y sin curvas y se considera que la presión atmosférica es constante e igual a una atmósfera durante todo el recorrido. Además, para el tratamiento del rozamiento por el aire, se han tomado los parámetros aerodinámicos de un Audi A3, según http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_aerodin%C3%A1mica.
La caracterización de la situación física viene dada en función de una serie de parámetros de entrada:
Los datos de salida correspondientes a los datos de entrada anteriores son:
Se sugieren algunos parámetros de entrada para la simulación con objeto de poder visualizar un ejemplo de cada caso:
¿Qué ocurre con la fuerza de rozamiento al aumentar la velocidad?
En el ciclo de Otto, se limita la razón de compresión. ¿A qué se debe?