Motor a nafta (o de aire caliente)

La descripción de este motor está habitualmente dada mediante la idealización llamada ciclo de Otto. Como se ve en la figura, consta de dos adiabatas y dos isócoras. En el primer proceso, llamado etapa o paso de compresión, una mezcla de vapor de nafta y aire es llevada desde el volumen $V_1$ al volumen $V_2<V_1$. A continuación la etapa de explosión se representa con un ingreso de calor $Q_2$ manteniendo el volumen $V_2$ fijo. El paso siguiente es la etapa de trabajo, en la que se permite que el gas, caliente y comprimido, se expanda adiabáticamente entregando trabajo al exterior. Finalmente, la etapa de escape representa un enfriamiento del gas manteniendo el volumen $V_1$ fijo (enfriamiento isócoro), entregando al exterior una cantidad de calor $Q_1'$.

Es conveniente notar las simplificaciones que se han incorporado para realizar esta idealización. Luego de la etapa de compresión no se toma contacto con un reservorio térmico para que el gas absorba la cantidad de calor $Q_2$, sino que se introduce una chispa que origina la combustión, liberando una energía equivalente a $Q_2$; las reacciones químicas resultantes son también ignoradas, y en el ciclo de Otto se supone que el gas mantiene sus números de moles constantes. La etapa de escape involucra por cierto un enfriamiento, pero también una reducción de la cantidad de gas en el interior del pistón, ya que al abrirse la válvula de escape, hay una segunda etapa de compresión que es en realidad un paso de expulsión del combustible que ya reaccionó y no podrá ser reutilizado en pasos posteriores. También hay una segunda etapa de trabajo falsa, en la cual se abren las válvulas de admisión para renovar la mezcla combustible de vapor de nafta y aire que servirá para realizar el próximo ciclo ``efectivo''. Por otro lado, las etapas de compresión y de expansión no se corresponden con procesos reversibles, ni siquiera cuasiestáticos: son adiabáticas pero no isoentrópicas.

Como en el ciclo de Otto no se absorbe calor de una fuente a temperatura constante, su eficiencia no puede corresponderse con la que encontramos para ciclos infinitesimales, sino que debe realizarse un proceso de integración para evaluarla. La eficiencia depende del fluido que se utiliza para la combustión, y puede verse que para el caso de un gas ideal se obtiene

$$\varepsilon = 1 - \left(\frac{V_2}{V_1}\right)^{\displaystyle\frac{c_P-c_v}{c_v}} \;.$$

Como vemos, una vez que se ha decidido la sustancia con que se trabaja, la eficiencia del motor depende sólo del cociente $V_2/V_1$, que se denomina tasa de compresión.