El Ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa, y está representado gráficamente en la figura, tanto en coordenadas P-V como en coordenadas T-S. Las transformaciones termodinámicas que se verifican durante el ciclo son:
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1-2
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Adiabática i isentropica (sin intercambio de calor con el exterior) | |
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Compresión
del fluido activo y correspondiente al trabajo L1
realizado por el pistón. |
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2-3
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A volumen constante | |
| Introducción
instantánea del calor suministrado Q1. |
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3-4
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Adiabática | |
| Expansión
y correspondiente trabajo L2 producido por el fluido
activo. |
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4-1
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A volumen constante | |
| Sustracción
instantánea del calor Q2. |
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En realidad, en los motores de 4 tiempos, la sustracción del calor se verifica durante la carrera de escape 1-0, y el fluido se introduce en el motor en la carrera de aspiración 0-1, lo cual se representa gráficamente en el diagrama P-V mediante una línea horizontal, mientras que en el diagrama T-S no es posible representarlo. Los efectos de ambos procesos se anulan mutuamente, sin ganancia ni pérdida de trabajo, razón por la cual no suelen considerarse en los diagramas ideales en coordenadas P-V las carreras de aspiración y escape, y el ciclo Otto está representado como un ciclo cerrado, en el cual el fluido activo vuelve a su estado inicial cuando llega a su término la fase de expulsión del calor 4-1.
Como el calor Q1 se introduce a volumen constante, el trabajo L2-3 realizado durante esa transformación es nulo, y la ecuación de conservación de la energía del fluido sin flujo se transforma en:
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Como se trata de un ciclo ideal y, por tanto, el fluido operante es un gas perfecto, la variación de la energía interna durante su transformación a volumen constante vale:
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De donde resulta:
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Análogamente, como el calor Q2 es sustraído también a volumen constante, y en tales condiciones que L4-1=0, podemos escribir:
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y por ser el fluido un gas
perfecto:
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Por consiguiente, el rendimiento térmico ideal para el ciclo Otto teórico resulta:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
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Para las transformaciones adiabáticas de compresión 1-2 y de expansión 3-4 obtenemos, respectivamente:
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y como es V1=V4 y V2=V3, podemos escribir: |
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Introduciendo esta relación en la expresión del rendimiento he(así como la que existe entre las temperaturas T1 y T2 de la fase 1-2 de compresión adiabática), resulta:
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Indicando con 
la
relación entre los respectivos volúmenes V1
y V2 del principio y final de la carrera de
compresión –a la cual llamaremos “relación volumétrica de compresión”-, se obtiene
la expresión final del rendimiento térmico ideal del ciclo Otto.
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El rendimiento térmico del ciclo Otto es, por tanto,
función de la relación de compresión y exponente k, relación de los calores
específicos de fluido operante. Aumentando ,
aumente he; aumentando los valores de los calores específicos, disminuye
k y, en consecuencia, también el rendimiento térmico he. Por ello,
el ciclo ideal, para el cual k=1.4, tiene un rendimiento térmico superior al
ciclo de aire, dado el caso que, para éste, posee k un valor medio más bajo,
por variar los calores específicos con la temperatura.