Eficiența termică pentru ciclul Otto
În general, eficiența termică, ηth, a oricărui motor termic este definită ca fiind raportul dintre lucrul efectuat, W, și aportul de căldură la temperatură ridicată, QH.
Eficiența termică, ηth, reprezintă fracțiunea de căldură, QH, care este transformată în lucru. Deoarece energia se conservă în conformitate cu prima lege a termodinamicii, iar energia nu poate fi transformată complet în muncă, aportul de căldură, QH, trebuie să fie egal cu munca efectuată, W, plus căldura care trebuie disipată în mediul înconjurător sub formă de căldură reziduală QC. Prin urmare, putem rescrie formula randamentului termic astfel:
Căldura absorbită se produce în timpul arderii amestecului combustibil-aer, când apare scânteia, aproximativ la volum constant. Deoarece în timpul unui proces izocoric nu există lucru efectuat de către sau asupra sistemului, prima lege a termodinamicii dictează ∆U = ∆Q. Prin urmare, căldura adăugată și cea respinsă sunt date de:
Qadd = mcv (T3 – T2)
Qout = mcv (T4 – T1)
Înlocuind aceste expresii pentru căldura adăugată și cea respinsă în expresia pentru randamentul termic se obține:
Potem simplifica expresia de mai sus folosind faptul că procesele 1 → 2 și de la 3 → 4 sunt adiabatice, iar pentru un proces adiabatic este valabilă următoarea formulă p,V,T:
Se poate deduce că:
În această ecuație, raportul V1/V2 este cunoscut ca raport de compresie, CR. Când rescriem expresia pentru randamentul termic folosind raportul de compresie, ajungem la concluzia că randamentul termic al ciclului Otto cu standard de aer este funcție de raportul de compresie și κ = cp/cv.
Este o concluzie foarte utilă, deoarece este de dorit să se obțină un raport de compresie ridicat pentru a extrage mai multă energie mecanică dintr-o masă dată de amestec aer-combustibil. Un raport de compresie mai mare permite atingerea aceleiași temperaturi de ardere cu mai puțin combustibil, oferind în același timp un ciclu de expansiune mai lung. Acest lucru creează o putere mecanică mai mare și scade temperatura gazelor de eșapament. Scăderea temperaturii gazelor de eșapament determină scăderea energiei respinse în atmosferă. Această relație este prezentată în figură pentru κ = 1,4, reprezentând aerul ambiant.
.