Da biste napravili toplinski stroj koji može raditi pomoću topline, morate stvoriti određene uvjete. Prije svega, toplinski stroj mora raditi u cikličkom načinu rada, gdje niz uzastopnih termodinamičkih procesa stvara ciklus. Kao rezultat ciklusa, plin zatvoren u cilindru s pomičnim klipom radi. Ali jedan ciklus nije dovoljan za stroj koji povremeno radi, on mora izvoditi cikluse iznova i iznova tijekom određenog vremena. Ukupan rad obavljen tijekom danog vremena u stvarnosti, podijeljen s vremenom, daje još jedan važan koncept - moć.
Sredinom 19. stoljeća stvoreni su prvi toplinski strojevi. Oni su radili, ali su potrošili veliku količinu topline dobivene izgaranjem goriva. Tada su si teoretski fizičari postavljali pitanja: „Kako plin djeluje u toplinskom stroju? Kako postići maksimalnu učinkovitost uz minimalnu potrošnju goriva?"
Za analizu rada plina bilo je potrebno uvesti cijeli sustav definicija i pojmova. Ukupnost svih definicija stvorila je cijeli znanstveni smjer, koji je dobionaslov: "Tehnička termodinamika". U termodinamici su napravljene brojne pretpostavke koje ni na koji način ne umanjuju glavne zaključke. Radni fluid je efemerni plin (ne postoji u prirodi), koji se može komprimirati na nulti volumen, čije molekule ne djeluju jedna s drugom. U prirodi postoje samo pravi plinovi koji imaju dobro definirana svojstva koja se razlikuju od idealnog plina.
Za razmatranje modela dinamike radnog fluida, predloženi su zakoni termodinamike, koji opisuju glavne termodinamičke procese, kao što su:
- izohorni proces je proces koji se izvodi bez promjene volumena radnog fluida. Uvjet izohornog procesa, v=const;
- izobarični proces je proces koji se izvodi bez promjene tlaka u radnom fluidu. Uvjet izobarnog procesa, P=const;
- izotermni (izotermni) proces je proces koji se izvodi uz održavanje temperature na zadanoj razini. Stanje izotermnog procesa, T=const;
- adijabatski proces (adijabatski, kako ga nazivaju moderni inženjeri topline) je proces koji se izvodi u prostoru bez izmjene topline s okolinom. Uvjet adijabatskog procesa, q=0;
- politropski proces - ovo je najopćenitiji proces koji opisuje sve gore navedene termodinamičke procese, kao i sve ostale moguće izvesti u cilindru s pokretnim klipom.
Tijekom stvaranja prvih toplinskih motora, tražili su ciklus u kojem možete postići najveću učinkovitost(učinkovitost). Sadi Carnot, istražujući sveukupnost termodinamičkih procesa, slučajno je došao do razvoja vlastitog ciklusa, koji je dobio njegovo ime - Carnotov ciklus. On uzastopno izvodi izotermni, a zatim adijabatski proces kompresije. Radni fluid nakon izvođenja ovih procesa ima rezervu unutarnje energije, ali ciklus još nije završen, pa se radni fluid širi i vrši proces izotermnog širenja. Za završetak ciklusa i povratak na izvorne parametre radnog fluida, izvodi se proces adijabatskog širenja.
Carnot je dokazao da učinkovitost u njegovom ciklusu doseže maksimum i ovisi samo o temperaturama dviju izotermi. Što je veća razlika među njima, to je i veća toplinska učinkovitost. Pokušaji stvaranja toplinskog motora prema Carnotovom ciklusu nisu bili uspješni. Ovo je idealan ciklus koji se ne može ispuniti. Ali dokazao je glavno načelo drugog zakona termodinamike o nemogućnosti dobivanja rada jednakog trošku toplinske energije. Formuliran je niz definicija za drugi zakon termodinamike, na temelju kojih je Rudolf Clausius uveo pojam entropije. Glavni zaključak njegovog istraživanja je da entropija stalno raste, što dovodi do toplinske "smrti".
Najvažnije dostignuće Clausiusa bilo je razumijevanje suštine adijabatskog procesa, kada se on izvodi, entropija radnog fluida se ne mijenja. Stoga je prema Clausiusu adijabatski proces s=const. Ovdje je s entropija, što daje drugo ime procesu koji se izvodi bez dovoda ili odvođenja topline, izentropski proces. Znanstvenik je tražiotakav ciklus toplinskog stroja gdje ne bi došlo do povećanja entropije. Ali, nažalost, nije u tome uspio. Stoga je zaključio da se toplinski stroj uopće ne može stvoriti.
Ali nisu svi istraživači bili tako pesimistični. Tražili su prave cikluse za toplinske motore. Kao rezultat njihove potrage, Nikolaus August Otto stvorio je vlastiti ciklus toplinskog motora, koji je sada implementiran u benzinske motore. Ovdje se izvodi adijabatski proces kompresije radnog fluida i izohorni dovod topline (sagorijevanje goriva pri konstantnom volumenu), zatim se pojavljuje adijabatsko širenje (rad obavlja radni fluid u procesu povećanja njegovog volumena) i izohorni odvođenje topline. Prvi motori s unutarnjim izgaranjem Otto ciklusa koristili su zapaljive plinove kao gorivo. Mnogo kasnije izumljeni su karburatori, koji su počeli stvarati benzinsko-zračne mješavine zraka s benzinskim parama i dovode ih u cilindar motora.
U Otto ciklusu, zapaljiva smjesa je komprimirana, pa je njezina kompresija relativno mala - zapaljiva smjesa ima tendenciju detonacije (eksplodirati kada se dosegnu kritični tlakovi i temperature). Stoga je rad tijekom procesa adijabatske kompresije relativno mali. Ovdje se uvodi još jedan koncept: omjer kompresije je omjer ukupnog volumena i volumena kompresije.
Nastavljena je potraga za načinima povećanja energetske učinkovitosti goriva. Povećanje učinkovitosti vidljivo je u povećanju omjera kompresije. Rudolf Diesel razvio je vlastiti ciklus u kojem se toplina isporučujepri konstantnom tlaku (u izobarnom procesu). Njegov ciklus činio je osnovu motora koji koriste dizelsko gorivo (također se naziva i dizelsko gorivo). Diesel ciklus ne komprimira zapaljivu smjesu, već zrak. Stoga se kaže da se rad obavlja u adijabatskom procesu. Temperatura i tlak na kraju kompresije su visoki, pa se gorivo ubrizgava kroz mlaznice. Miješa se s vrućim zrakom, stvara zapaljivu smjesu. Izgara, dok se unutarnja energija radnog fluida povećava. Nadalje, širenje plina ide uzduž adijabate, nastaje radni hod.
Pokušaj implementacije Diesel ciklusa u toplinske motore nije uspio, pa je Gustav Trinkler stvorio kombinirani Trinklerov ciklus. Koristi se u današnjim dizel motorima. U Trinklerovom ciklusu toplina se dovodi duž izohore, a zatim duž izobare. Tek nakon toga izvodi se adijabatski proces širenja radnog fluida.
Po analogiji s klipnim toplinskim motorima, rade i turbinski motori. Ali u njima se proces odvođenja topline nakon završetka korisnog adijabatskog širenja plina provodi duž izobare. Na zrakoplovima s plinskim turbinskim i turboelisnim motorima adijabatski se proces događa dvaput: tijekom kompresije i ekspanzije.
Da bi se potkrijepili svi temeljni koncepti adijabatskog procesa, predložene su formule za proračun. Ovdje se pojavljuje važna veličina, nazvana adijabatski eksponent. Njegova vrijednost za dvoatomski plin (kisik i dušik su glavni dvoatomski plinovi prisutni u zraku) je 1,4. Za izračunavanjeadijabatskog eksponenta koriste se još dvije zanimljive karakteristike, a to su: izobarični i izohorni toplinski kapacitet radnog fluida. Njihov omjer k=Cp/Cv je adijabatski eksponent.
Zašto se adijabatski proces koristi u teorijskim ciklusima toplinskih motora? Zapravo se izvode politropski procesi, ali zbog činjenice da se odvijaju velikom brzinom, uobičajeno je pretpostaviti da nema izmjene topline s okolinom.
90% električne energije proizvode termoelektrane. Kao radni fluid koriste vodenu paru. Dobiva se kuhanjem vode. Kako bi se povećao radni potencijal pare, ona se pregrijava. Pregrijana para se zatim pod visokim tlakom dovodi u parnu turbinu. Ovdje se također odvija adijabatski proces širenja pare. Turbina dobiva rotaciju, prenosi se na električni generator. To zauzvrat proizvodi električnu energiju za potrošače. Parne turbine rade po Rankineovom ciklusu. U idealnom slučaju, povećanje učinkovitosti također je povezano s povećanjem temperature i tlaka vodene pare.
Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, adijabatski proces je vrlo čest u proizvodnji mehaničke i električne energije.
