For å bygge en varmemotor som kan utføre arbeid ved å bruke varme, må du skape visse forhold. Først av alt må en varmemotor operere i en syklisk modus, der en rekke påfølgende termodynamiske prosesser skaper en syklus. Som et resultat av syklusen fungerer gassen som er innelukket i en sylinder med et bevegelig stempel. Men én syklus er ikke nok for en periodisk fungerende maskin, den må utføre sykluser om og om igjen i en viss tid. Det totale arbeidet som utføres i løpet av en gitt tid i virkeligheten, delt på tid, gir et annet viktig konsept - makt.
I midten av 1800-tallet ble de første varmemotorene laget. De fungerte, men brukte en stor mengde varme fra forbrenning av drivstoff. Det var da teoretiske fysikere stilte seg selv spørsmål: «Hvordan fungerer gass i en varmemotor? Hvordan få maksimal ytelse med minim alt drivstoffbruk?»
For å utføre en analyse av gassarbeidet var det nødvendig å innføre et helt system av definisjoner og begreper. Helheten av alle definisjoner skapte en hel vitenskapelig retning, som fikktittel: "Teknisk termodynamikk". Innen termodynamikk er det gjort en rekke antakelser som på ingen måte trekker ned hovedkonklusjonene. Arbeidsvæsken er en flyktig gass (ikke eksisterende i naturen), som kan komprimeres til null volum, hvis molekyler ikke interagerer med hverandre. I naturen er det bare ekte gasser som har veldefinerte egenskaper som er forskjellige fra en ideell gass.
For å vurdere modeller for dynamikken til arbeidsvæsken, ble termodynamikkens lover foreslått, som beskriver de viktigste termodynamiske prosessene, for eksempel:
- isokorisk prosess er en prosess som utføres uten å endre volumet av arbeidsvæsken. Isokorisk prosesstilstand, v=const;
- isobar prosess er en prosess som utføres uten å endre trykket i arbeidsvæsken. Isobarisk prosesstilstand, P=const;
- isotermisk (isotermisk) prosess er en prosess som utføres mens temperaturen holdes på et gitt nivå. Isoterm prosesstilstand, T=const;
- adiabatisk prosess (adiabatisk, som moderne varmeingeniører kaller det) er en prosess som utføres i rommet uten varmeveksling med omgivelsene. Adiabatisk prosesstilstand, q=0;
- polytropisk prosess - dette er den mest generaliserte prosessen som beskriver alle de ovennevnte termodynamiske prosessene, så vel som alle de andre som er mulig å utføre i en sylinder med et bevegelig stempel.
Under opprettelsen av de første varmemotorene lette de etter en syklus der du kan få den høyeste effektiviteten(effektivitet). Sadi Carnot, som utforsket helheten av termodynamiske prosesser, kom på et innfall til utviklingen av sin egen syklus, som fikk navnet hans - Carnot-syklusen. Den utfører sekvensielt en isotermisk, deretter en adiabatisk kompresjonsprosess. Arbeidsvæsken etter å ha utført disse prosessene har en reserve av intern energi, men syklusen er ennå ikke fullført, så arbeidsvæsken ekspanderer og utfører en isotermisk ekspansjonsprosess. For å fullføre syklusen og gå tilbake til de opprinnelige parameterne for arbeidsvæsken, utføres en adiabatisk ekspansjonsprosess.
Carnot beviste at effektiviteten i syklusen hans når et maksimum og avhenger kun av temperaturene til de to isotermene. Jo høyere forskjellen er mellom dem, desto høyere termisk effektivitet. Forsøk på å lage en varmemotor i henhold til Carnot-syklusen har ikke vært vellykket. Dette er en ideell syklus som ikke kan oppfylles. Men han beviste hovedprinsippet i termodynamikkens andre lov om umuligheten av å få arbeid lik kostnadene for termisk energi. En rekke definisjoner ble formulert for termodynamikkens andre lov, på grunnlag av hvilke Rudolf Clausius introduserte begrepet entropi. Hovedkonklusjonen av hans forskning er at entropien øker stadig, noe som fører til termisk "død".
Den viktigste prestasjonen til Clausius var forståelsen av essensen av den adiabatiske prosessen, når den utføres, endres ikke entropien til arbeidsvæsken. Derfor, ifølge Clausius, er den adiabatiske prosessen s=const. Her er entropien, som gir et annet navn til prosessen som utføres uten tilførsel eller fjerning av varme, den isentropiske prosessen. Forskeren lette etteren slik syklus av en varmemotor hvor det ikke ville være noen økning i entropi. Men det klarte han dessverre ikke. Derfor konkluderte han at en varmemotor ikke kan lages i det hele tatt.
Men ikke alle forskere var så pessimistiske. De lette etter ekte sykluser for varmemotorer. Som et resultat av deres søk skapte Nikolaus August Otto sin egen syklus av varmemotoren, som nå er implementert i bensinmotorer. Her utføres den adiabatiske prosessen med kompresjon av arbeidsvæsken og isokorisk varmetilførsel (forbrenning av drivstoff ved et konstant volum), deretter vises den adiabatiske ekspansjonen (arbeidet utføres av arbeidsvæsken i ferd med å øke volumet) og isokorisk varmefjerning. De første forbrenningsmotorene i Otto-syklusen brukte brennbare gasser som drivstoff. Mye senere ble forgassere oppfunnet, som begynte å lage bensin-luftblandinger av luft med bensindamper og tilføre dem til motorsylinderen.
I Otto-syklusen blir den brennbare blandingen komprimert, så kompresjonen er relativt liten - den brennbare blandingen har en tendens til å detonere (eksplodere når kritiske trykk og temperaturer nås). Derfor er arbeidet under den adiabatiske kompresjonsprosessen relativt lite. Et annet konsept introduseres her: komprimeringsforholdet er forholdet mellom det totale volumet og komprimeringsvolumet.
Søket etter måter å øke energieffektiviteten på drivstoff fortsatte. En økning i effektivitet ble sett i en økning i kompresjonsforholdet. Rudolf Diesel utviklet sin egen syklus der varme tilføresved konstant trykk (i isobarisk prosess). Syklusen hans dannet grunnlaget for motorer som brukte diesel (det kalles også diesel). Diesel-syklusen komprimerer ikke den brennbare blandingen, men luft. Derfor sies det å arbeide i en adiabatisk prosess. Temperaturen og trykket ved slutten av kompresjonen er høy, så drivstoff sprøytes inn gjennom injektorene. Den blandes med varm luft, danner en brennbar blanding. Det brenner ut, mens den indre energien til arbeidsvæsken øker. Videre går ekspansjonen av gassen langs adiabaten, det lages et arbeidsslag.
Forsøket på å implementere Diesel-syklusen i varmemotorer mislyktes, så Gustav Trinkler laget den kombinerte Trinkler-syklusen. Den brukes i dagens dieselmotorer. I Trinkler-syklusen tilføres varme langs isokoren og deretter langs isobaren. Først etter det utføres den adiabatiske prosessen med ekspansjon av arbeidsvæsken.
I analogi med stempelvarmemotorer fungerer også turbinmotorer. Men i dem utføres prosessen med varmefjerning etter fullføringen av den nyttige adiabatiske utvidelsen av gassen langs isobaren. På fly med gassturbin- og turbopropmotorer skjer den adiabatiske prosessen to ganger: under kompresjon og ekspansjon.
For å underbygge alle de grunnleggende konseptene i den adiabatiske prosessen, ble det foreslått beregningsformler. En viktig størrelse vises her, k alt den adiabatiske eksponenten. Verdien for en diatomisk gass (oksygen og nitrogen er de viktigste diatomiske gassene i luften) er 1,4. For å beregneden adiabatiske eksponenten brukes to mer interessante egenskaper, nemlig: arbeidsfluidets isobariske og isokoriske varmekapasitet. Forholdet deres k=Cp/Cv er den adiabatiske eksponenten.
Hvorfor brukes den adiabatiske prosessen i de teoretiske syklusene til varmemotorer? Faktisk utføres polytrope prosesser, men på grunn av at de skjer med høy hastighet, er det vanlig å anta at det ikke er varmeveksling med omgivelsene.
90 % av elektrisiteten genereres av termiske kraftverk. De bruker vanndamp som arbeidsvæske. Det oppnås ved å koke vann. For å øke arbeidspotensialet til damp overopphetes den. Den overopphetede dampen mates deretter med høyt trykk til en dampturbin. Den adiabatiske prosessen med dampekspansjon finner også sted her. Turbinen mottar rotasjon, den overføres til en elektrisk generator. Det genererer igjen strøm til forbrukerne. Dampturbiner opererer på Rankine-syklusen. Ideelt sett er økningen i effektivitet også forbundet med en økning i temperaturen og trykket til vanndampen.
Som det fremgår av ovenstående, er den adiabatiske prosessen svært vanlig ved produksjon av mekanisk og elektrisk energi.
