Eficiência Térmica para o Ciclo Otto
Em geral a eficiência térmica, ηth, de qualquer motor térmico é definida como a relação do trabalho que ele faz, W, para a entrada de calor a alta temperatura, QH.
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A eficiência térmica, ηth, representa a fração de calor, QH, que é convertida em trabalho. Uma vez que a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, QH, deve ser igual ao trabalho feito, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual QC para o ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula para eficiência térmica como:
O calor absorvido ocorre durante a combustão da mistura combustível-ar, quando a faísca ocorre, aproximadamente em volume constante. Como durante um processo isocórico não há trabalho feito pelo ou no sistema, a primeira lei da termodinâmica dita ∆U = ∆Q. Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:
Qadd = mcv (T3 – T2)
Qout = mcv (T4 – T1)
Substituindo estas expressões pelo calor adicionado e rejeitado na expressão para rendimentos de eficiência térmica:
Podemos simplificar a expressão acima usando o fato de que os processos 1 → 2 e de 3 → 4 são adiabáticos e para um processo adiabático a seguinte fórmula p,V,T é válida:
Pode ser derivado que:
Nesta equação, a razão V1/V2 é conhecida como a razão de compressão, CR. Quando reescrevemos a expressão para eficiência térmica usando a razão de compressão, concluímos que a eficiência térmica padrão do ciclo Otto é uma função da razão de compressão e κ = cp/cv.
É uma conclusão muito útil, pois é desejável obter uma razão de compressão elevada para extrair mais energia mecânica de uma determinada massa de mistura ar-combustível. Uma maior taxa de compressão permite alcançar a mesma temperatura de combustão com menos combustível, ao mesmo tempo em que proporciona um ciclo de expansão mais longo. Isto cria mais potência mecânica e diminui a temperatura de exaustão. A diminuição da temperatura de escape provoca a diminuição da energia rejeitada para a atmosfera. Esta relação é mostrada na figura para κ = 1,4, representando o ar ambiente.