Ciclos termo: Otto, Diesel, Brayton, Rankine e COP

A página Thermo Cycles analisa ciclos termodinâmicos fechados em dois níveis. A aba Ideal-gas cycles reúne seis ciclos de ar padrão — Otto, Diesel, Brayton (com regeneração e resfriamento intermediário), Atkinson, Stirling e Carnot — e devolve na hora eficiência, trabalho líquido, pontos de estado e diagramas P-v e T-s. A aba Real-fluid cycles cobre potência a vapor Rankine, além de refrigeração por compressão de vapor e bombas de calor com R134a. Cada resultado fica ao lado da eficiência de Carnot para seus próprios limites de temperatura, e o motor rejeita qualquer ciclo que cruze esse limite.

更新 2026-10-016 个来源约 5 分钟读完

Como executar um ciclo

Escolha a camada.A barra de abas alterna entre Ideal gas e Real fluid; cada camada tem sua própria rota, /engineering/cycles/ideal e /engineering/cycles/real.
Defina o estado e os parâmetros do ciclo.Os ciclos ideais compartilham um fluido de trabalho, a temperatura de entrada T₁ em kelvin e a pressão p₁ em kPa; cada aba acrescenta seus próprios campos — r e q_in para Otto e Atkinson, r e r_c para Diesel, r_p, T₃ e ajustes de perdas para Brayton, T_h e T_c para Carnot e Stirling.
Leia os cartões antes das curvas.Eficiência, limite de Carnot, trabalho líquido, calor de entrada/saída e pressão média efetiva ficam acima da tabela de estados e dos gráficos P-v / T-s; uma faixa abaixo repete Atkinson, Otto e Diesel com o mesmo r e o mesmo calor fornecido.
Conduza os ciclos de fluido real.Rankine abre a 3 MPa / 350 °C → 75 kPa, com reaquecimento opcional ou um aquecedor de água de alimentação aberto (o reaquecimento vence); refrigeração e bomba de calor compartilham um ciclo de R134a. Adicione vazão mássica ou carga de resfriamento para kW/MW, ou carregue o CoolProp para propriedades de nível REFPROP.

Leituras calculadas

Todas as leituras são a exibição do próprio painel.

Entrada	Leituras exibidas
Otto: r = 8, T₁ = 300 K, p₁ = 100 kPa, q_in = 1800 kJ/kg	η 56.472%, limite de Carnot 90.619%, w_net 1,016.5 kJ/kg, MEP 1,349.3 kPa, estado 3 3197.91 K
Diesel: r = 18, r_c = 2	η 63.158%, w_net 604.8 kJ/kg
Brayton: r_p = 8, T₃ = 1300 K	η 44.796%; η_c 0.8 / η_t 0.85 → 27.411%; regeneração ε = 0.8 → 54.912%
Atkinson: r = 8, q_in = 1800 kJ/kg	η 66.637%
Rankine: 3 MPa / 350 °C → 75 kPa	η 25.80%, w_turbine 686.2 / w_pump 3.03 kJ/kg, título 0.863, 20 kg/s → 13.663 MW
R134a: −20 °C / 40 °C	COP 2.58, COP_hp 3.58, q_evap 130.15 kJ/kg, título na válvula 0.389, carga de 3.5 kW → 1.356 kW

A 15 MPa / 600 °C → 10 kPa, o reaquecimento eleva a eficiência de 41.59% para 43.47% e o título na saída de 0.72 para 0.92.

O que os números pressupõem

A camada ideal é uma análise de ar padrão: γ constante, cp e cv constantes, processos reversíveis, então a eficiência de Otto e Brayton depende só das razões, não do calor adicionado. A camada de fluido real interpola tabelas de saturação embutidas (água, R134a) e um modelo de superaquecimento de gás ideal, marcando o resultado como dados alternativos; o CoolProp o substitui por equações de estado de energia livre de Helmholtz. Cada ciclo é verificado duas vezes — o trabalho líquido deve igualar o calor de entrada menos o de saída, e a eficiência deve ficar abaixo de 1 − T_min/T_max.

Limites a ter em mente

Ar padrão, não uma simulação.: Calores específicos constantes e processos reversíveis significam sem química de combustão, sem sincronização de válvulas e sem atrito; use esta camada para comparar formas e conferir respostas de livro, não para prever o consumo de combustível de um motor.
Propriedades alternativas carregam um erro conhecido.: Sem o CoolProp, os estados de fluido real vêm de tabelas embutidas (água 5–20,000 kPa, R134a −40 a 90 °C): entalpia e entropia erram cerca de 0.5–1% e a eficiência cerca de meio ponto. Entradas fora das tabelas são recusadas, nunca extrapoladas.
O que ele não faz.: Nada de transientes de partida, dimensionamento de caldeira ou trocador de calor, modelagem de combustão ou fluidos refrigerantes além do R134a. Converta as pressões e temperaturas digitadas no conversor de pressão e no conversor de temperatura; a simulação dinâmica de sistemas fica no Engineering Lab.

O diesel que parece eficiente não é a forma eficiente

A faixa de comparação em r = 8 e q_in = 1800 kJ/kg lê Atkinson 66.64%, Otto 56.47%, Diesel 40.10% — o ciclo diesel fica por último, não em primeiro. A adição de calor a pressão constante o torna o menos eficiente dos três com a mesma razão de compressão e o mesmo calor fornecido; a predefinição r = 18 alcança 63.158% apenas pela razão maior. A outra armadilha de nome é o próprio r: o r_p = 8 de Brayton é uma razão de pressões (η 44.796%), não a razão de compressão de Otto r = 8 (η 56.472%), e as duas não têm relação entre si.

Onde se encaixa

Conferências de livro e tarefas

O exemplo 10-1 de Cengel é a predefinição Rankine: 3 MPa / 350 °C → 75 kPa lê η 25.80% contra 26.0% do livro e título 0.863 contra 0.8861. A diferença é o modelo declarado de propriedades alternativas; carregar o CoolProp a reduz.

Motores, híbridos e bombas de calor

Otto com r = 8 lê 56.472%, e r = 16 dispara o aviso de limite de detonação; a expansão completa de Atkinson chega a 66.637% com o mesmo r, por isso os híbridos a usam. R134a a −20 / 40 °C dá COP 2.58 para resfriar, 3.58 como bomba de calor, e uma carga de 3.5 kW consome 1.356 kW.

Referências

Wikipedia, Otto cycle — η = 1 − r^(1−γ). en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Diesel cycle — a razão de corte e o limite r_c → 1. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Brayton cycle — razão de pressões, trabalho de retorno e regeneração. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Rankine cycle — reaquecimento e regeneração com água de alimentação. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Vapor-compression refrigeration — COP e a válvula de expansão. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Bell et al., CoolProp (Ind Eng Chem Res 53:2498–2508, 2014) — o backend opcional de propriedades com EOS de Helmholtz. coolprop.org （访问日期：2026-10-01）