För att bygga en värmemotor som kan utföra arbete genom att använda värme måste du skapa vissa förutsättningar. Först och främst måste en värmemotor arbeta i ett cykliskt läge, där en serie på varandra följande termodynamiska processer skapar en cykel. Som ett resultat av cykeln fungerar gasen som är innesluten i en cylinder med en rörlig kolv. Men en cykel räcker inte för en periodiskt fungerande maskin, den måste utföra cykler om och om igen under en viss tid. Det totala arbetet som utförs under en given tid i verkligheten, dividerat med tid, ger ett annat viktigt begrepp - makt.
I mitten av 1800-talet skapades de första värmemotorerna. De fungerade, men förbrukade en stor mängd värme från förbränning av bränsle. Det var då som teoretiska fysiker ställde sig frågor:”Hur fungerar gas i en värmemotor? Hur får man maximal prestanda med minimal bränsleförbrukning?”
För att göra en analys av gasarbeten var det nödvändigt att införa ett helt system av definitioner och begrepp. Helheten av alla definitioner skapade en hel vetenskaplig riktning, som ficktitel: "Teknisk termodynamik". Inom termodynamiken har ett antal antaganden gjorts som inte på något sätt förringar huvudslutsatserna. Arbetsvätskan är en efemär gas (som inte finns i naturen), som kan komprimeras till noll volym, vars molekyler inte interagerar med varandra. I naturen finns det bara riktiga gaser som har väldefinierade egenskaper som skiljer sig från en idealgas.
För att överväga modeller av arbetsvätskans dynamik föreslogs termodynamikens lagar, som beskrev de huvudsakliga termodynamiska processerna, såsom:
- isochoric process är en process som utförs utan att volymen av arbetsvätskan ändras. Isokoriskt processtillstånd, v=const;
- isobar process är en process som utförs utan att trycket i arbetsvätskan ändras. Isobariskt processtillstånd, P=const;
- isotermisk (isotermisk) process är en process som utförs samtidigt som temperaturen hålls på en given nivå. Isotermiskt processtillstånd, T=konst;
- adiabatisk process (adiabatisk, som moderna värmetekniker kallar det) är en process som utförs i rymden utan värmeväxling med omgivningen. Adiabatiskt processtillstånd, q=0;
- polytropisk process - detta är den mest generaliserade processen som beskriver alla ovanstående termodynamiska processer, såväl som alla andra som är möjliga att utföra i en cylinder med en rörlig kolv.
Under skapandet av de första värmemotorerna letade de efter en cykel där du kan få högsta effektivitet(effektivitet). Sadi Carnot, som utforskade helheten av termodynamiska processer, kom på ett infall till utvecklingen av sin egen cykel, som fick hans namn - Carnot-cykeln. Den utför sekventiellt en isotermisk, sedan en adiabatisk kompressionsprocess. Arbetsvätskan efter att ha utfört dessa processer har en reserv av intern energi, men cykeln är ännu inte avslutad, så arbetsvätskan expanderar och utför en isotermisk expansionsprocess. För att slutföra cykeln och återgå till de ursprungliga parametrarna för arbetsvätskan, utförs en adiabatisk expansionsprocess.
Carnot bevisade att effektiviteten i hans cykel når ett maximum och endast beror på temperaturen för de två isotermerna. Ju högre skillnaden är mellan dem, desto högre termisk verkningsgrad. Försök att skapa en värmemotor enligt Carnot-cykeln har inte varit framgångsrika. Detta är en idealisk cykel som inte kan uppfyllas. Men han bevisade huvudprincipen i termodynamikens andra lag om omöjligheten att få arbete lika med kostnaden för termisk energi. Ett antal definitioner formulerades för termodynamikens andra lag, utifrån vilka Rudolf Clausius introducerade begreppet entropi. Huvudslutsatsen av hans forskning är att entropin ständigt ökar, vilket leder till termisk "död".
Clausius viktigaste prestation var förståelsen av essensen av den adiabatiska processen, när den utförs förändras inte entropin i arbetsvätskan. Därför, enligt Clausius, är den adiabatiska processen s=const. Här är entropin, som ger ett annat namn till den process som utförs utan tillförsel eller avlägsnande av värme, den isentropiska processen. Forskaren letade efteren sådan cykel av en värmemotor där det inte skulle finnas någon ökning av entropin. Men tyvärr misslyckades han med det. Därför drog han slutsatsen att en värmemotor inte alls kan skapas.
Men alla forskare var inte så pessimistiska. De letade efter riktiga cykler för värmemotorer. Som ett resultat av deras sökning skapade Nikolaus August Otto sin egen cykel av värmemotorn, som nu implementeras i bensinmotorer. Här utförs den adiabatiska processen för kompression av arbetsvätskan och isokorisk värmetillförsel (förbränning av bränsle vid en konstant volym), sedan uppträder den adiabatiska expansionen (arbete utförs av arbetsvätskan i processen att öka dess volym) och isokorisk värmeavlägsnande. De första förbränningsmotorerna i Otto-cykeln använde brännbara gaser som bränsle. Långt senare uppfanns förgasare, som började skapa bensin-luftblandningar av luft med bensinångor och tillföra dem till motorcylindern.
I Otto-cykeln komprimeras den brännbara blandningen, så dess kompression är relativt liten - den brännbara blandningen tenderar att detonera (explodera när kritiska tryck och temperaturer uppnås). Därför är arbetet under den adiabatiska kompressionsprocessen relativt litet. Ett annat koncept introduceras här: kompressionsförhållandet är förhållandet mellan den totala volymen och kompressionsvolymen.
Sökandet efter sätt att öka bränsleeffektiviteten fortsatte. En ökning av effektiviteten sågs i en ökning av kompressionsförhållandet. Rudolf Diesel utvecklade en egen cykel där värme tillförsvid konstant tryck (i isobar process). Hans cykel utgjorde grunden för motorer som använde dieselbränsle (det kallas också dieselbränsle). Dieselcykeln komprimerar inte den brännbara blandningen, utan luft. Därför sägs arbetet ske i en adiabatisk process. Temperaturen och trycket vid slutet av kompressionen är höga, så bränsle sprutas in genom injektorerna. Det blandas med varm luft, bildar en brännbar blandning. Det brinner ut samtidigt som arbetsvätskans inre energi ökar. Vidare går expansionen av gasen längs adiabatiken, ett arbetsslag görs.
Försöket att implementera dieselcykeln i värmemotorer misslyckades, så Gustav Trinkler skapade den kombinerade Trinkler-cykeln. Den används i dagens dieselmotorer. I Trinkler-cykeln tillförs värme längs isokoren och sedan längs isobaren. Först efter det utförs den adiabatiska processen för expansion av arbetsvätskan.
I analogi med kolvvärmemotorer fungerar även turbinmotorer. Men i dem utförs processen för värmeavlägsnande efter slutförandet av den användbara adiabatiska expansionen av gasen längs isobaren. På flygplan med gasturbin- och turbopropmotorer inträffar den adiabatiska processen två gånger: under kompression och expansion.
För att underbygga alla grundläggande koncept för den adiabatiska processen föreslogs beräkningsformler. En viktig storhet förekommer här, kallad den adiabatiska exponenten. Dess värde för en diatomisk gas (syre och kväve är de viktigaste diatomiska gaserna som finns i luften) är 1,4. För att beräknaden adiabatiska exponenten används ytterligare två intressanta egenskaper, nämligen: arbetsvätskans isobariska och isokoriska värmekapacitet. Deras förhållande k=Cp/Cv är den adiabatiska exponenten.
Varför används den adiabatiska processen i värmemotorernas teoretiska cykler? Faktum är att polytropa processer utförs, men på grund av att de sker i hög hastighet är det vanligt att anta att det inte sker någon värmeväxling med omgivningen.
90 % av elen genereras av värmekraftverk. De använder vattenånga som arbetsvätska. Det erhålls genom att koka vatten. För att öka arbetspotentialen för ånga överhettas den. Den överhettade ångan matas sedan under högt tryck till en ångturbin. Den adiabatiska processen med ångexpansion äger också rum här. Turbinen får rotation, den överförs till en elektrisk generator. Det i sin tur genererar el åt konsumenterna. Ångturbiner arbetar på Rankine-cykeln. Helst är den ökade effektiviteten också förknippad med en ökning av vattenångans temperatur och tryck.
Som framgår av ovanstående är den adiabatiska processen mycket vanlig vid produktion av mekanisk och elektrisk energi.
