🔥 ¿Quieres entender, de una vez por todas, cómo funciona el ciclo Otto? Si alguna vez escuchaste hablar del ciclo Otto y te sonó a algo complicado, técnico o solo para ingenieros… ¡acá vas a descubrir que no es así! En este artículo vas a entender paso a paso, de forma clara, sencilla y hasta entretenida, cómo funciona este ciclo que está detrás de la mayoría de los motores a gasolina que mueven autos, motos y otros vehículos.
No hace falta ser experto en motores, ni tener conocimientos de física avanzada. Solo necesitás curiosidad y ganas de aprender, porque acá te lo explico todo desde cero, como si estuviéramos charlando con mate de por medio. Vas a conocer qué es el ciclo Otto, por qué es tan importante, cómo se originó, cómo trabaja cada parte del motor y qué pasa en cada etapa del movimiento.
Este es el lugar donde, finalmente, todo te va a quedar claro.
¿Listo? Entonces ahora sí, arrancamos.
1. Introducción al Ciclo Otto
1.1. ¿Qué es el ciclo Otto?
El Ciclo Otto es un modelo termodinámico que describe cómo funciona un motor de combustión interna de cuatro tiempos, como los que se usan comúnmente en automóviles a gasolina.
En palabras sencillas, es el proceso que sigue el motor para convertir el combustible (gasolina) en movimiento. Lo hace a través de una serie de pasos en los que entra aire, se mezcla con gasolina, se comprime, se enciende (explota controladamente) y se expulsan los gases resultantes.
Este ciclo consta de cuatro etapas principales, conocidas como los cuatro tiempos del motor:
- Admisión: entra aire y combustible.
- Compresión: se comprime la mezcla.
- Explosión (Combustión) y expansión: se enciende la mezcla y el pistón baja.
- Escape: se expulsan los gases quemados.
Cada uno de estos pasos es esencial para que el motor produzca trabajo útil (es decir, para que el vehículo se mueva).
1.2. Historia y origen (Nikolaus Otto)
El ciclo lleva el nombre de Nikolaus August Otto, un ingeniero alemán que en 1876 logró construir el primer motor de combustión interna práctico que funcionaba con gasolina y operaba bajo este principio de cuatro tiempos.
Aunque otras personas ya habían experimentado con motores, Otto fue quien logró hacer uno funcional, confiable y útil para aplicaciones reales. Esto marcó el inicio de una revolución en el transporte y la industria.
Dato curioso: Aunque Otto diseñó el motor, el concepto de los cuatro tiempos ya había sido descrito teóricamente por Alphonse Beau de Rochas en 1862, pero Otto fue quien lo llevó a la práctica de manera exitosa.
1.3. Aplicaciones en la actualidad
El ciclo Otto es la base de funcionamiento de muchos motores que usamos hoy en día, especialmente los que funcionan con gasolina. Algunos ejemplos:
- Automóviles y motocicletas convencionales.
- Cortadoras de césped, motosierras y otros equipos pequeños.
- Generadores eléctricos portátiles.
- Algunos aviones ligeros y vehículos recreativos.
Aunque hoy existen motores más eficientes o con otros ciclos (como el ciclo Diesel o el ciclo Atkinson en híbridos), el ciclo Otto sigue siendo fundamental por su simplicidad, bajo costo y buena relación potencia-tamaño.
✅ Parte 2: Componentes clave del motor de 4 tiempos
El motor de 4 tiempos es como una orquesta bien sincronizada: cada componente cumple una función específica para que todo funcione en armonía. Vamos a conocer a sus protagonistas:
2.1. Cilindro: el escenario del espectáculo
El cilindro es un tubo metálico por donde sube y baja el pistón.
Es como la cancha donde se juega todo el partido del motor.
- Dentro de él se produce la mezcla de aire y combustible, su compresión, la explosión y la salida de gases.
- Generalmente, un motor tiene uno o varios cilindros, dependiendo del tipo (por ejemplo, los autos suelen tener 4, 6 u 8).
👉 Dato simple: ¡Cuantos más cilindros, más potencia puede tener un motor!
2.2. Pistón: el atleta del motor
El pistón es una pieza metálica que sube y baja dentro del cilindro.
Se mueve rápidamente por la explosión del combustible y es quien transmite la fuerza al resto del motor.
- Cuando el combustible explota, el pistón baja con fuerza: ese movimiento genera trabajo.
- Luego vuelve a subir para sacar los gases quemados.
👉 Podés imaginarlo como un émbolo de una jeringa, que va hacia arriba y abajo con precisión.
2.3. Biela y cigüeñal: el dúo dinámico
🔹 Biela:
Es como el brazo del pistón. Une al pistón con el cigüeñal y convierte el movimiento de arriba y abajo en un movimiento circular.
🔹 Cigüeñal:
Es una barra con forma curva que gira gracias al movimiento de la biela.
Su función es transformar todo ese ir y venir del pistón en una rotación continua, que finalmente hace que las ruedas del vehículo giren.
👉 Podés imaginar este sistema como el de una bicicleta antigua con pedales moviendo una rueda, pero dentro del motor.
2.4. Válvulas de admisión y escape: las puertas del cilindro
Las válvulas funcionan como puertas automáticas que se abren y se cierran en el momento justo:
- Válvula de admisión: se abre para que entre aire y gasolina al cilindro.
- Válvula de escape: se abre para que salgan los gases quemados tras la explosión.
Estas válvulas están controladas por un sistema llamado árbol de levas, que se asegura de que se abran ni antes ni después, sino exactamente cuando deben hacerlo.
👉 Si el cilindro es una habitación, las válvulas son las ventanas que se abren para ventilar.
2.5. Bujía: la chispa mágica
La bujía es la responsable de encender la mezcla de aire y combustible.
- Cuando el pistón ha comprimido bien la mezcla, la bujía lanza una chispa eléctrica, como un mini rayo, que causa la explosión.
- Esa explosión es lo que empuja al pistón con fuerza hacia abajo.
👉 Es como el encendedor de una cocina, pero adentro del motor y funcionando miles de veces por minuto.
🔧 Recapitulando:
| Componente | Función principal | Ejemplo simple |
|---|---|---|
| Cilindro | Espacio donde ocurre todo el proceso | Cancha de juego |
| Pistón | Sube y baja con fuerza | Émbolo de jeringa |
| Biela | Une el pistón con el cigüeñal | Brazo mecánico |
| Cigüeñal | Gira gracias al pistón y mueve el auto | Pedales girando una rueda |
| Válvulas | Abren y cierran para entrada y salida de gases | Puertas automáticas |
| Bujía | Enciende la mezcla con una chispa | Encendedor de cocina |
🔰 ¿Cómo funciona un motor con ciclo Otto?
Antes de adentrarnos de lleno en la teoría del ciclo Otto, quiero explicarte de manera sencilla y a grandes rasgos cómo funciona un motor a gasolina que utiliza este ciclo.
Todo comienza cuando gira el cigüeñal, que no es más que el eje principal encargado de hacer girar las ruedas del vehículo mediante otros mecanismos de transmisión. Pero para que ese cigüeñal gire, se necesita algo que lo impulse… y ahí es donde entran en juego los pistones.
Los pistones se mueven dentro de unos tubos metálicos llamados cilindros, subiendo y bajando. Ese movimiento es provocado por la explosión de la mezcla de aire y combustible dentro del cilindro. Cada vez que ocurre una explosión, el pistón baja con fuerza, y como está conectado al cigüeñal mediante una pieza llamada biela (una especie de manivela), ese movimiento recto se transforma en un giro.
Así, explosión tras explosión, el cigüeñal gira constantemente, y ese giro es lo que, en última instancia, pone en movimiento tu vehículo.
Cuando estudiamos el ciclo Otto, lo que realmente queremos entender es cómo sube y baja ese pistón y qué ocurre en cada etapa de ese movimiento.
¡Dicho esto, empecemos!
3. Principios termodinámicos básicos para entender el ciclo OTTO
Antes de desarrollar de pleno el ciclo otto y comprender cómo funciona el Ciclo Otto, es esencial tener una base clara de algunos principios de la termodinámica, que es la ciencia que estudia las relaciones entre el calor, el trabajo y otras formas de energía.
Aquí desglosamos estos conceptos fundamentales de forma sencilla y aplicada directamente al motor.
🔧 3.1. Presión, volumen y temperatura en el motor
Para comprender cómo funciona un motor con ciclo Otto, hay tres protagonistas que debemos conocer muy bien: la presión, el volumen y la temperatura. Estos tres factores trabajan en conjunto en el interior del cilindro para transformar la energía química del combustible en energía mecánica útil. Veamos uno por uno de forma simple y clara:
✅ Presión (P):
Imagina que tienes aire encerrado en una jeringa: si empujas el émbolo, el aire se comprime y empieza a empujar con más fuerza hacia todos lados. Eso mismo pasa dentro del cilindro del motor.
La presión es esa fuerza que ejerce el gas (mezcla aire-combustible) contra las paredes del cilindro y especialmente contra el pistón.
- La presión cambia constantemente a medida que el pistón sube o baja.
- Cuando el pistón comprime la mezcla, la presión aumenta.
- Durante la explosión o combustión, la presión se dispara bruscamente, y esa fuerza empuja el pistón hacia abajo, generando el trabajo útil que finalmente mueve el vehículo.
📌 En resumen: más presión = más fuerza sobre el pistón = más movimiento.
✅ Volumen (V):
El volumen es simplemente el espacio disponible dentro del cilindro para el gas. Este espacio cambia todo el tiempo, dependiendo de la posición del pistón:
- Cuando el pistón está en la parte más alta del cilindro (Punto Muerto Superior – PMS), el volumen es mínimo.
- Cuando está en la parte más baja (Punto Muerto Inferior – PMI), el volumen es máximo.
👉 Cada vez que el pistón sube o baja, comprime o expande la mezcla, cambiando el volumen. Y ese cambio de volumen tiene un efecto directo sobre la presión y la temperatura del gas.
✅ Temperatura (T):
La temperatura es la medida del calor del gas en el cilindro. Y adivina qué: ¡también cambia constantemente durante el ciclo!
- Cuando el pistón comprime la mezcla, las moléculas del gas se acercan y la temperatura sube.
- Cuando ocurre la combustión, la temperatura aumenta de forma explosiva, alcanzando varios cientos de grados Celsius.
📌 Y aquí viene algo clave:
A mayor temperatura, mayor presión.
Y como ya dijimos: mayor presión = más fuerza sobre el pistón.
🧠 ¿Por qué es importante todo esto al estudiar el ciclo Otto?
Porque uno de los objetivos al estudiar este ciclo es justamente entender cómo varían la presión, el volumen y la temperatura en cada una de las fases del ciclo: en la admisión, compresión, explosión (o combustión) y escape.
Cada una de estas etapas tiene características únicas, y en ellas los valores de estos tres parámetros cambian de forma significativa.
🔍 Todo esto lo veremos con detalle más adelante, pero desde ya es clave que entiendas que estos tres factores son el corazón del funcionamiento del motor.
🔬 3.2. Procesos adiabáticos e isócoros
Dentro del modelo teórico del ciclo Otto, existen dos procesos clave que nos ayudan a entender cómo se transforma la energía térmica en energía mecánica (y viceversa): el proceso adiabático y el proceso isócoro. Vamos a verlos con calma y claridad.
🔥 Proceso adiabático:
📌 Sin intercambio de calor con el exterior
Un proceso adiabático ocurre cuando no entra ni sale calor del sistema. En el motor, esto sucede cuando el cilindro está completamente cerrado, es decir, con las válvulas de admisión y escape cerradas. En ese momento, todo lo que pasa dentro depende únicamente del trabajo mecánico (el pistón subiendo o bajando).
En el Ciclo Otto hay dos momentos adiabáticos:
- Compresión adiabática:
- La mezcla de aire y combustible ya entró al cilindro.
- El pistón empieza a subir, comprime la mezcla y, como el volumen disminuye, la presión y la temperatura aumentan rápidamente.
- No hay entrada ni salida de calor. Toda la energía se queda en el sistema.
- Expansión adiabática:
- Luego de la combustión, el gas se encuentra a muy alta presión.
- Esa presión empuja con fuerza el pistón hacia abajo.
- Nuevamente, no hay intercambio de calor. Toda la energía interna se convierte en trabajo útil que moverá el cigüeñal.
🎯 En ambos casos, lo más importante es que el volumen cambia, pero el calor no entra ni sale. La energía se transforma completamente en trabajo o al revés.
🔒 Proceso isócoro (o isocórico):
📌 A volumen constante
Un proceso isócoro ocurre cuando el volumen permanece fijo, es decir, el pistón no se mueve. Lo que sí cambia es la presión y la temperatura, debido al ingreso o salida de calor.
En el ciclo Otto hay dos momentos isócoros clave:
- Combustión isócora (entrada de calor – Q₁):
- El pistón está en su punto más alto (PMS), justo al terminar la compresión.
- Se produce la chispa de la bujía, ocurre la combustión.
- Aunque el pistón aún no se ha movido, entra mucho calor en muy poco tiempo, lo que eleva de golpe la presión y la temperatura.
- Escape isócoro (salida de calor – Q₂):
- Después de la expansión, el pistón llega al punto más bajo (PMI).
- Se abre la válvula de escape y los gases calientes salen del cilindro.
- Como el pistón aún no se ha movido, el volumen se mantiene constante, pero el calor se pierde junto con los gases.
🎯 Aquí, lo que debes recordar es: el volumen no cambia, pero sí lo hacen la presión y la temperatura debido al calor que entra o sale.
✅ Resumen visual del ciclo teórico del motor Otto:
- Admisión: mezcla entra al cilindro (no parte del ciclo ideal).
- Compresión adiabática: el pistón sube, volumen ↓, presión y temperatura ↑.
- Combustión isócora: se agrega calor (Q₁) con volumen constante, presión ↑.
- Expansión adiabática: el gas empuja el pistón hacia abajo, trabajo útil.
- Escape isócoro: se libera calor (Q₂), el volumen no cambia, presión ↓.
🔍 ¿Por qué son importantes estos procesos?
Porque el ciclo Otto teórico simplifica el comportamiento real del motor para poder analizarlo con fórmulas y entender cómo se produce el trabajo mecánico.
¡Y entender estos procesos es la clave para dominar el ciclo Otto!
3.3. Primera y segunda ley de la termodinámica aplicadas al ciclo
🧠 Primera Ley de la Termodinámica (Ley de la Conservación de la Energía):
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
En el motor, esta ley se aplica así:
- El calor que entra (Q₁) en el sistema se convierte en:
- Trabajo (W) que empuja el pistón
- y parte se pierde como calor residual (Q₂)
📌 Fórmula básica:
Q = ΔU + W
(El calor es igual al cambio de energía interna más el trabajo realizado)
⚖️ Segunda Ley de la Termodinámica:
No toda la energía puede convertirse en trabajo útil, siempre hay pérdidas.
En el ciclo Otto:
- Una parte del calor se pierde en forma de gases calientes, fricción, ruido, etc.
- Por eso, ningún motor es 100% eficiente.
📌 Esta ley también explica por qué siempre hay gases de escape y por qué se necesita un sistema de refrigeración.
En términos simples, siempre hay pérdidas: parte del calor se disipa en el escape, en la fricción, en el sistema de refrigeración, etc.
Es por esto que ningún motor de combustión interna es 100% eficiente. Los mejores motores Otto tienen una eficiencia térmica real de alrededor del 30% a 35%, lo que significa que solo una tercera parte del calor liberado por el combustible se convierte en movimiento útil; el resto se pierde como calor por el escape, la refrigeración, la fricción interna y otros factores.
📌 Curiosamente, si aplicamos la fórmula teórica del rendimiento del ciclo Otto ideal (que desarrollaremos más adelante), basada en la relación de compresión, se obtienen valores mucho mayores, incluso entre 50% y 60% de eficiencia.
Sin embargo, esta fórmula no tiene en cuenta las pérdidas reales que ocurren en un motor: la fricción interna, la combustión incompleta, la disipación de calor, ni las limitaciones técnicas del diseño.
👉 Por eso, aunque la teoría nos ofrece un rendimiento más alto, en la práctica los motores Otto reales no alcanzan esa eficiencia ideal.
🎯 Resumen
¿Cómo aplican la presión, el volumen y la temperatura en el motor de gasolina?
La mezcla de aire y combustible cambia de volumen y temperatura en cada fase del Ciclo Otto, generando variaciones de presión que impulsan el pistón.
¿Qué es un proceso adiabático en el Ciclo Otto?
Es cuando el gas se comprime o expande sin intercambiar calor con el exterior, solo transformando energía interna en trabajo mecánico.
¿Qué es un proceso isócoro en el Ciclo Otto?
Es cuando se agrega o elimina calor sin variar el volumen, afectando solo la presión y temperatura.
¿Qué leyes de la termodinámica se aplican al motor?
La primera (energía se conserva) y la segunda (siempre hay pérdidas) son clave para entender por qué los motores generan movimiento, pero no son totalmente eficientes.
🔄 4. Etapas del Ciclo Otto – 4 Tiempos del Motor
El Ciclo Otto describe el funcionamiento de un motor de combustión interna en cuatro tiempos, también llamados cuatro carreras del pistón.
En cada una, el pistón se desplaza de arriba hacia abajo o viceversa dentro del cilindro, acompañado por la apertura o cierre de válvulas que regulan la entrada y salida de gases.
Cada ciclo completo da dos vueltas al cigüeñal, y se compone de estas etapas:
🚗 4.1. Admisión (Carrera 1)
🔧 Componentes en acción:
- Se abre la válvula de admisión.
- El pistón desciende desde el Punto Muerto Superior (PMS) hacia el Punto Muerto Inferior (PMI).
- La válvula de escape permanece cerrada, lo que permite que el cilindro se llene con la mezcla.
🌀 ¿Qué ocurre?
Durante esta etapa, el pistón se desplaza hacia abajo, aumentando el volumen disponible dentro del cilindro.
Este movimiento genera un vacío parcial que permite que la mezcla de aire y combustible sea aspirada desde el exterior, gracias a la presión atmosférica que empuja los gases hacia el interior del cilindro.
Podemos visualizar esta etapa como el momento en que el motor “inhala”, respirando la mezcla que más adelante explotará para generar energía.
⚙️ Estado 1 del Ciclo Otto
Esta etapa representa el estado inicial del ciclo Otto ideal, y se caracteriza por las siguientes condiciones:
- Volumen V₁: es el volumen máximo que puede tener el gas dentro del cilindro (volumen en el PMI).
- Presión P₁: corresponde a la presión atmosférica, ya que el gas entra desde el exterior sin haber sido aún comprimido.
- Temperatura T₁: también es la temperatura ambiente, ya que la mezcla entra a temperatura externa, sin calentamiento previo.
📌 En este punto, el gas aún no ha sido comprimido ni ha recibido energía térmica, por lo tanto se encuentra en condiciones ambientales normales.
✅ Transición al siguiente estado:
Una vez que el pistón llega al PMI y el cilindro está lleno de mezcla, la válvula de admisión se cierra, sellando completamente el volumen interno.
Esto marca el final de la etapa de admisión y deja el motor listo para iniciar la etapa de compresión, donde comenzará la transformación de energía.
🔩 4.2. Compresión (Carrera 2)
🔧 Componentes en acción:
- La válvula de admisión ya se ha cerrado.
- El pistón asciende desde el Punto Muerto Inferior (PMI) hacia el Punto Muerto Superior (PMS).
- El cilindro queda completamente cerrado, sin comunicación con el exterior.
🌀 ¿Qué ocurre?
Ahora que la mezcla de aire y combustible está atrapada dentro del cilindro, el pistón comienza a subir.
Este movimiento reduce drásticamente el volumen interno, provocando que la mezcla se comprima.
Al comprimirse, las moléculas del gas se acercan unas a otras, lo que genera un aumento en la presión y en la temperatura dentro del cilindro.
📌 Este proceso ocurre sin intercambio de calor con el exterior, por lo tanto se trata de una compresión adiabática (no entra ni sale calor).
⚙️ Del estado 1 al estado 2 del Ciclo Otto
Aquí se produce una transformación adiabática ideal que lleva al gas desde:
- Volumen V₁ (máximo, en el PMI) a
- Volumen V₂ (mínimo, en el PMS).
Y a su vez:
- La presión aumenta de P₁ a P₂,
- La temperatura sube de T₁ a T₂.
Todo este incremento se debe únicamente al trabajo que realiza el pistón al comprimir la mezcla.
📐 Relación de compresión
Este proceso define una de las características más importantes del motor:
la relación de compresión, que es:
$$r = \frac{V_1}{V_2}$$
Una mayor relación de compresión implica una mayor eficiencia térmica del motor, pero también requiere mayor resistencia de materiales y mejor control de la combustión.
💡 Importancia de la Relación de Compresión
Una mayor relación de compresión significa que el volumen inicial $V_1$ puede reducirse muchas más veces antes de la combustión. Físicamente, esto se traduce en que la mezcla aire-combustible se comprime más intensamente, elevando significativamente su presión y temperatura antes de la explosión.
🔧 Esto tiene dos efectos principales:
- Aumenta la eficiencia térmica del motor: porque se aprovecha mejor la energía del combustible.
- Aumenta la fuerza de la explosión: al haber mayor presión antes del encendido, la combustión genera un impulso más potente sobre el pistón.
⚠️ Sin embargo, este aumento también exige materiales más resistentes y un control más preciso del encendido, ya que una compresión excesiva puede provocar autoencendido (detonación no deseada), lo que puede dañar el motor.
📘 Relación entre presión, volumen y temperatura en la compresión adiabática
Ya vimos que durante esta etapa el volumen disminuye mientras que la presión y la temperatura aumentan, todo sin intercambio de calor con el exterior.
Como se trata de un proceso adiabático reversible, se cumple la siguiente relación entre presión y volumen: $P_1 V_1^k = P_2 V_2^k$
donde:
- $P_1$ y $V_1$ son la presión y volumen antes de la compresión,
- $P_2$ y $V_2$ son la presión y volumen después de la compresión,
- k es el índice adiabático o relación de calores específicos $\left(k = \frac{C_p}{C_v}\right)$.
De esta relación se puede despejar la presión al final de la compresión:
$$P_2 = P_1 \cdot r^k$$
donde $r = \frac{V_1}{V_2}$ es la relación de compresión.
🌡️ Relación entre temperatura y volumen
También se cumple esta relación: $T_1 V_1^{k-1} = T_2 V_2^{k-1}$
De ahí se puede deducir que la temperatura después de la compresión es:
$$T_2 = T_1 \cdot r^{k-1}$$
Esto nos permite calcular cómo aumenta la temperatura debido únicamente a la compresión de la mezcla dentro del cilindro.
📌 Estas fórmulas son esenciales para el análisis del ciclo Otto, ya que nos permiten predecir cómo cambian la presión y temperatura según la relación de compresión del motor y el tipo de gas que contiene.
¿Listo para pasar a la combustión y expansión? 💥
✅ Transición al siguiente estado:
Al llegar al PMS, el volumen está en su mínimo posible (V₂) y la presión y temperatura son máximas justo antes de que ocurra la combustión.
En ese preciso momento, la bujía genera una chispa, enciende la mezcla comprimida, y comienza la siguiente etapa: la explosión o combustión y expansión.
💥 4.3. Combustión y Expansión (Carrera 3)
🔧 Componentes en acción:
- El pistón está en el PMS (Punto Muerto Superior), después de haber comprimido la mezcla.
- La bujía genera la chispa que inicia la combustión.
🔥 ¿Qué ocurre?
📌 La chispa enciende la mezcla aire-combustible comprimida, generando una combustión rápida en volumen constante (proceso isócoro). Esto produce un aumento abrupto de la temperatura y presión dentro del cilindro, sin que el volumen cambie $V_3 = V_2$.
En este momento el sistema pasa al estado 3 del ciclo Otto.
🧩 Inmediatamente después, el gas en expansión ejerce una gran presión sobre el pistón, que desciende hacia el PMI (Punto Muerto Inferior), realizando la expansión adiabática (sin intercambio de calor).
🔬 Análisis Termodinámico del Ciclo Ideal
En esta etapa, el motor recibe calor del entorno, representado como:
$$Q_1 = c_v (T_3 – T_2)$$
- $Q_1$: calor agregado.
- $c_v$: capacidad calorífica a volumen constante.
- $T_3$: temperatura después de la combustión.
- $T_2$: temperatura antes de la combustión (fin de la compresión).
De aquí se despeja:
$$T_3 = \frac{Q_1}{c_v} + T_2$$
🔁 También, por ser un proceso isócoro (volumen constante), se cumple la relación:
$\frac{P_2}{T_2} = \frac{P_3}{T_3} \quad \Rightarrow \quad $
$$P_3 = P_2 \cdot \frac{T_3}{T_2}$$
Esta ecuación nos permite calcular la presión justo después de la combustión si conocemos las temperaturas.
También se puede expresar como: $Q_1 = \frac{W}{\eta}$
- $W$: trabajo total producido.
- $\eta$: eficiencia térmica del ciclo.
📌 Este trabajo también puede calcularse teóricamente a partir de la potencia del motor en función del tiempo, considerando los ciclos por segundo (rpm) y el rendimiento.
⚖️ ¿Qué ocurre con la masa del gas?
Dado que el ciclo Otto ideal considera el sistema como cerrado (sin entrada ni salida de masa durante los procesos), la masa del gas se mantiene constante durante todo el ciclo.
Por eso, se puede calcular la masa usando el estado 1 (inicio del ciclo), aplicando la ecuación de estado del gas ideal: $P_1 V_1 = m R T_1$
- $P_1$: presión al final de la admisión (presión atmosférica).
- $V_1$: volumen máximo del cilindro.
- $T_1$: temperatura ambiente.
- $m$: masa de la mezcla.
- $R$: constante del gas.
📌 Esta masa será la misma en todos los estados del ciclo, lo que permite usarla para estudiar energía interna, trabajo y eficiencia en los demás procesos.
🔋 En conclusión, esta etapa es el corazón del ciclo Otto: se transforma energía química en energía mecánica útil. Es donde el motor “devuelve” la inversión hecha en las etapas previas y genera el trabajo necesario para mover el vehículo.
💨 4.4. Escape (Carrera 4)
🔧 Componentes en acción:
- El pistón se encuentra en el PMI (Punto Muerto Inferior), justo después de que los gases de combustión empujaron el pistón durante la expansión.
- En este momento, se abre la válvula de escape.
🌀 ¿Qué ocurre?
El pistón comienza a subir desde el PMI hacia el PMS. Este movimiento:
- Expulsa los gases quemados a través de la válvula de escape.
- Marca el fin del ciclo, dejando el cilindro listo para una nueva admisión.
📊 Análisis termodinámico del ciclo ideal:
Esta etapa comprende dos procesos clave en el ciclo Otto ideal:
🟡 1. Expansión adiabática (de estado 3 a estado 4)
Antes de que se abran las válvulas, el gas realiza una expansión adiabática, es decir, sin transferencia de calor, sólo trabajo:
$$P_3 V_3^k = P_4 V_4^k $$
$$\quad \Rightarrow \quad P_4 = \frac{P_3}{r^k}$$
Dado que $r = \frac{V_1}{V_2} = \frac{V_4}{V_3}$, podemos expresar la presión final usando la relación de compresión $r$.
📌 La temperatura también se reduce adiabáticamente:
$T_3 V_3^{k-1} = T_4 V_4^{k-1}$
$ \quad \Rightarrow \quad T_4 = T_3 \cdot \left(\frac{1}{r}\right)^{k-1} = T_3 \cdot r^{1-k}$
🔻 2. Proceso isócoro de escape (de estado 4 a estado 1)
Una vez finalizada la expansión, y con la válvula de escape abierta, ocurre la expulsión de calor a volumen constante:
$$Q_2 = c_v (T_4 – T_1)$$
📌 Este calor $Q_2$ representa la energía no convertida en trabajo útil, y se considera una pérdida térmica del ciclo.
✅ Observaciones adicionales:
- En esta etapa, la presión cae bruscamente al abrirse la válvula de escape.
- El volumen se mantiene constante entre los estados 4 y 1:
$$V_4 = V_1$$
- Se cierra el ciclo, y se reinicia con la etapa de admisión.
🔥 5. Rendimiento térmico del ciclo Otto
El rendimiento térmico ($\eta$) de un motor mide qué tan eficientemente convierte el calor en trabajo útil. En otras palabras:
📌 ¿Qué parte del calor que se entrega al gas (combustible + aire) se transforma realmente en trabajo mecánico?
📐 Fórmula general del rendimiento térmico:
$$\eta = \frac{\text{Trabajo neto}}{\text{Calor suministrado}} = \frac{W}{Q_1}$$
Donde:
- $W$ = trabajo neto total realizado en un ciclo.
- $Q_1$ = calor entregado durante la combustión (proceso isócoro de 2 → 3).
📊 En el ciclo Otto ideal:
Sabemos que el trabajo neto es la diferencia entre el calor entregado y el calor perdido:
$$W = Q_1 – Q_2 \quad \Rightarrow \quad \eta = \frac{Q_1 – Q_2}{Q_1} = 1 – \frac{Q_2}{Q_1}$$
📌 ¿Qué son $Q_1$ y $Q_2$?
Ambos se calculan usando la capacidad calorífica a volumen constante cvc_v, porque tanto la combustión como el escape se consideran procesos isócoros (volumen constante):
- $Q_1 = c_v (T_3 – T_2)$ 🔥 → calor suministrado.
- $Q_2 = c_v (T_4 – T_1)$ ❄️ → calor rechazado.
Sustituyendo en la fórmula del rendimiento:
$$\eta = 1 – \frac{T_4 – T_1}{T_3 – T_2}$$
📘 ¿Cómo simplificamos esto usando la relación de compresión r?
Como ya hemos visto en las transformaciones adiabáticas:
- $T_2 = T_1 \cdot r^{k-1}$
- $T_4 = T_3 \cdot r^{1-k}$
Y recordando que en un ciclo Otto ideal:
$$T_3 = T_2 + \frac{Q_1}{c_v}$$
Podemos combinar esas expresiones y eliminar la necesidad de conocer temperaturas absolutas, quedando:
$$\eta = 1 – \frac{1}{r^{k-1}}$$
✅ ¿Qué significa esta fórmula?
- r = Relación de compresión: $r = \frac{V_1}{V_2}$, volumen máximo dividido entre volumen mínimo.
- k = Constante adiabática del gas (aproximadamente 1.4 para aire seco).
🔍 Conclusión física:
- A mayor relación de compresión rr, mayor rendimiento.
- Pero también: se requiere mayor resistencia de materiales y mejor control de la combustión para evitar detonaciones (explosión no controlada).
📌 Ejemplo práctico:
Si usamos aire como gas ideal, $k = 1.4$, y un motor tiene relación de compresión $r = 9$:
$\eta = 1 – \frac{1}{9^{1.4 – 1}} = 1 – \frac{1}{9^{0.4}} \approx 1 – \frac{1}{2.639} \approx 1 – 0.379 = 0.621$
🔧 Esto nos da un rendimiento ideal de aproximadamente 62.1%.
(En la práctica será menor, por pérdidas, fricción y otros efectos reales).
✅ RESUMEN VISUAL DEL CICLO OTTO
⚙️ 1. Etapas del Ciclo Otto (Motor de 4 tiempos)
| Carrera | Proceso | Tipo de proceso | Descripción |
|---|---|---|---|
| 1️⃣ | Admisión | A presión constante (ideal) | El pistón baja. Se abre la válvula de admisión y entra la mezcla aire-combustible. |
| 2️⃣ | Compresión | Adiabático | El pistón sube. La mezcla se comprime. Aumenta su presión y temperatura. |
| 3️⃣ | Combustión + Expansión | Isócoro + Adiabático | La mezcla se enciende (isócoro) y luego el gas empuja el pistón (expansión adiabática). |
| 4️⃣ | Escape | Isócoro (ideal) | Se abre la válvula de escape. El pistón sube y expulsa los gases quemados. |
📈 2. Diagrama P-V del Ciclo Otto (Presión vs. Volumen)
Leyenda:
1 → Estado inicial tras admisión
2 → Fin de compresión (máxima presión antes de combustión)
3 → Fin de combustión (aumento brusco de presión sin cambiar volumen)
4 → Fin de expansión
🔥 3. Fórmulas clave del ciclo ideal
🌡️ Transformaciones adiabáticas:
- $P_2 = P_1 \cdot r^k$
- $T_2 = T_1 \cdot r^{k-1}$
- $P_4 = P_3 \cdot r^{-k}$
- $T_4 = T_3 \cdot r^{1-k}$
📌 Combustión isócora:
- $Q_1 = c_v (T_3 – T_2)$
- $P_3 = P_2 \cdot \frac{T_3}{T_2}$
- $V_3 = V_2$ (volumen constante)
📌 Escape isócoro:
- $Q_2 = c_v (T_4 – T_1)$
- $V_4 = V_1$
⚡ 4. Rendimiento térmico del ciclo Otto
$\eta = 1 – \frac{Q_2}{Q_1} = 1 – \frac{T_4 – T_1}{T_3 – T_2} = 1 – \frac{1}{r^{k-1}}$
📌 Donde:
- $r = \frac{V_1}{V_2}$: Relación de compresión
- $k = \frac{c_p}{c_v}$: Constante adiabática (≈ 1.4 para aire)
🧮 Extras útiles:
- $PV = mRT$ → para calcular masa de aire si se conoce P, V, T
- $Q_1 = \frac{W}{\eta}$
- $W = Q_1 – Q_2$
⚡ Potencia en el Ciclo Otto
📌 ¿Qué es la potencia?
La potencia es la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. En motores térmicos, se refiere al trabajo producido en cada ciclo multiplicado por la cantidad de ciclos por segundo.
🧪 1. Potencia en el Ciclo Otto Ideal
🔹 Trabajo neto por ciclo (ideal):
$$W = Q_1 – Q_2 = c_v (T_3 – T_2 – T_4 + T_1)$$
Donde:
- $Q_1 = c_v (T_3 – T_2)$ → calor agregado en combustión
- $Q_2 = c_v (T_4 – T_1)$ → calor perdido en escape
🔹 Potencia ideal del ciclo:
$P = \frac{W \cdot n \cdot N}{2}$
Donde:
- $W$: trabajo neto por ciclo (J)
- $n$: número de cilindros
- $N$: número de revoluciones por segundo (rpm / 60)
- El divisor 2 aparece porque el ciclo Otto completo se realiza en 2 vueltas del cigüeñal (4 tiempos)
⚙️ 2. Potencia en motores reales
🔹 Potencia indicada:
Potencia calculada dentro del cilindro, antes de pérdidas por fricción: $P_i = \frac{P_m \cdot V_c \cdot N \cdot n}{2}$
Donde:
- $P_m$: presión media efectiva (Pa)
- $V_c$: cilindrada del motor (m³)
- $N$: revoluciones por segundo
- $n$: número de cilindros
🔹 Potencia efectiva o útil:
La que llega al cigüeñal, descontando pérdidas: $P_e = P_i \cdot \eta_m$
Donde ηm\eta_m es el rendimiento mecánico (≈ 0.8 – 0.9)
🔹 Presión Media Efectiva (PME o $P_m$) en el Ciclo Otto
La presión media efectiva es una magnitud teórica muy útil que permite comparar motores sin importar su tamaño o cilindrada. Representa una presión ficticia constante que, si actuara sobre el pistón durante toda la carrera de trabajo, produciría el mismo trabajo neto que el ciclo real.
💡 ¿Por qué es importante?
- Facilita el cálculo del trabajo generado por el motor.
- Es independiente del volumen del cilindro → útil para comparar motores grandes y pequeños.
- Se usa para obtener la potencia indicada del motor.
📐 Fórmula de la Presión Media Efectiva (PME)
$$P_m = \frac{W_{\text{ciclo}}}{V_u}$$
Donde:
- $P_m$: presión media efectiva (Pa o bar)
- $W_{\text{ciclo}}$: trabajo neto por ciclo (J)
- $V_u$: volumen útil (volumen barrido por el pistón) → $V_u = V_1 – V_2$
📘 En el Ciclo Otto Ideal
Sabemos que el trabajo neto por ciclo es: $W = Q_1 – Q_2 = c_v[(T_3 – T_2) – (T_4 – T_1)]$
Entonces: $P_m = \frac{c_v[(T_3 – T_2) – (T_4 – T_1)]}{V_1 – V_2}$
También podemos expresar el volumen útil $V_u$ usando la relación de compresión $r = V_1/V_2$:
$V_u = V_1 \left(1 – \frac{1}{r}\right)$
🚀 Conclusión del Ciclo Otto
El Ciclo Otto no es solo una secuencia de procesos termodinámicos; es el corazón palpitante de millones de motores que impulsan el mundo. Detrás de cada rugido de un motor, detrás de cada vehículo que se pone en marcha, se esconde la elegante danza de presiones, temperaturas y volúmenes que hemos descompuesto, entendido y admirado.
🔥 Desde la admisión en la que el motor “respira vida”,
🔥 hasta la compresión donde se concentra el poder,
🔥 pasando por la combustión explosiva que desata la expansión y el movimiento,
🔥 y culminando en el escape que renueva el ciclo para volver a comenzar…
…cada etapa es una sinfonía de física aplicada, una coreografía de componentes mecánicos perfectamente sincronizados.
Y lo más impresionante: toda esta maravilla se repite miles de veces por minuto en los motores que usamos a diario, llevando al límite la ciencia y la ingeniería.
El Ciclo Otto es una lección magistral de cómo la humanidad ha aprendido a convertir energía en movimiento, a dominar la materia con precisión matemática y a hacer de lo invisible —el calor, la presión, la energía interna— una fuerza tangible que mueve el mundo.
⚙️ Entender el Ciclo Otto es entender el alma del motor térmico.
Es ver con ojos de ingeniero el poder contenido en un cilindro.
Es saber que dentro de ese pequeño espacio, ocurre una revolución.