Da biste napravili toplotni motor koji može obavljati rad koristeći toplotu, morate stvoriti određene uslove. Prije svega, toplinski stroj mora raditi u cikličnom režimu, gdje niz uzastopnih termodinamičkih procesa stvara ciklus. Kao rezultat ciklusa, plin zatvoren u cilindru s pokretnim klipom radi. Ali jedan ciklus nije dovoljan za mašinu koja povremeno radi; ona mora da izvodi cikluse iznova i iznova tokom određenog vremena. Ukupan rad obavljen tokom datog vremena u stvarnosti, podijeljen vremenom, daje još jedan važan koncept - moć.
Sredinom 19. veka stvoreni su prvi toplotni motori. Oni su radili, ali su trošili veliku količinu toplote dobijene sagorevanjem goriva. Tada su si teoretski fizičari postavljali pitanja: „Kako plin radi u toplotnom stroju? Kako postići maksimalne performanse uz minimalnu potrošnju goriva?"
Da bi se izvršila analiza rada gasa, bilo je potrebno uvesti čitav sistem definicija i koncepata. Ukupnost svih definicija stvorila je čitav naučni pravac, 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 nultu zapreminu, čiji molekuli ne stupaju u interakciju jedni s drugima. U prirodi postoje samo pravi gasovi koji imaju dobro definisana svojstva koja se razlikuju od idealnog gasa.
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 zapremine radnog fluida. Stanje izohornog procesa, v=const;
- izobarični proces je proces koji se izvodi bez promjene pritiska u radnom fluidu. Izobarski procesni uvjet, P=const;
- izotermni (izotermni) proces je proces koji se izvodi uz održavanje temperature na datom nivou. Stanje izotermnog procesa, T=const;
- adijabatski proces (adijabatski, kako ga nazivaju savremeni inženjeri toplote) je proces koji se izvodi u prostoru bez razmene toplote sa okolinom. Stanje 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 sa pokretnim klipom.
Tokom stvaranja prvih toplotnih motora, tražili su ciklus u kojem možete postići najveću efikasnost(efikasnost). Sadi Carnot, istražujući sveukupnost termodinamičkih procesa, slučajno je došao do razvoja vlastitog ciklusa, koji je dobio njegovo ime - Carnot ciklus. On uzastopno izvodi izotermni, a zatim adijabatski proces kompresije. Radni fluid nakon obavljanja ovih procesa ima rezervu unutrašnje energije, ali ciklus još nije završen, pa se radni fluid širi i vrši proces izotermne ekspanzije. Za završetak ciklusa i povratak na originalne parametre radnog fluida, izvodi se proces adijabatskog širenja.
Carnot je dokazao da efikasnost u njegovom ciklusu dostiže maksimum i zavisi samo od temperatura dvije izoterme. Što je veća razlika između njih, to je i veća termička efikasnost. Pokušaji stvaranja toplotnog motora prema Carnotovom ciklusu nisu bili uspješni. Ovo je idealan ciklus koji se ne može ispuniti. Ali on je dokazao glavni princip drugog zakona termodinamike o nemogućnosti dobijanja rada jednakog trošku toplotne energije. Formulisan je niz definicija za drugi zakon termodinamike, na osnovu kojih je Rudolf Clausius uveo pojam entropije. Glavni zaključak njegovog istraživanja je da entropija stalno raste, što dovodi do termalne "smrti".
Najvažnije dostignuće Klauzija bilo je razumevanje suštine adijabatskog procesa, kada se on izvodi, entropija radnog fluida se ne menja. Prema tome, prema Klauzijusu, adijabatski proces je s=const. Ovdje je s entropija, koja daje drugo ime procesu koji se izvodi bez dovoda ili uklanjanja topline, izentropski proces. Naučnik je tražiotakav ciklus toplotnog motora u kojem ne bi došlo do povećanja entropije. Ali, nažalost, nije u tome uspio. Stoga je zaključio da se toplotni stroj uopće ne može stvoriti.
Ali nisu svi istraživači bili toliko pesimistični. Tražili su prave cikluse za toplotne motore. Kao rezultat njihove potrage, Nikolaus August Otto je stvorio 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 konstantnoj zapremini), zatim se pojavljuje adijabatsko širenje (rad obavlja radni fluid u procesu povećanja svoje zapremine) i izohorni odvođenje toplote. Prvi motori sa unutrašnjim sagorevanjem Otto ciklusa koristili su zapaljive gasove kao gorivo. Mnogo kasnije, izumljeni su karburatori, koji su počeli da stvaraju mešavine benzina i vazduha sa benzinskim parama i dovode ih u cilindar motora.
U Otto ciklusu, zapaljiva smeša je komprimovana, tako da je njena kompresija relativno mala - zapaljiva smeša ima tendenciju da detonira (eksplodira kada se dostignu kritični pritisci i temperature). Zbog toga je rad tokom procesa adijabatske kompresije relativno mali. Ovdje se uvodi još jedan koncept: omjer kompresije je omjer ukupne zapremine i zapremine kompresije.
Nastavljena je potraga za načinima povećanja energetske efikasnosti goriva. Povećanje efikasnosti uočeno je u povećanju kompresije. Rudolf Diesel je razvio vlastiti ciklus u kojem se isporučuje toplinapri konstantnom pritisku (u izobarnom procesu). Njegov ciklus je bio osnova motora koji koriste dizel gorivo (takođe se naziva i dizel gorivo). Dizelski ciklus ne kompresuje zapaljivu smjesu, već zrak. Stoga se kaže da se rad obavlja u adijabatskom procesu. Temperatura i pritisak na kraju kompresije su visoki, pa se gorivo ubrizgava kroz injektore. Meša se sa vrućim vazduhom, stvara zapaljivu mešavinu. Izgara, dok se unutrašnja energija radnog fluida povećava. Dalje, širenje plina ide adijabatskim putem, pravi se radni hod.
Pokušaj implementacije Diesel ciklusa u toplotnim motorima nije uspio, pa je Gustav Trinkler kreirao kombinovani Trinkler ciklus. Koristi se u današnjim dizel motorima. U Trinklerovom ciklusu, toplota se dovodi duž izohore, a zatim duž izobare. Tek nakon toga vrši se adijabatski proces širenja radnog fluida.
Po analogiji sa klipnim toplotnim motorima, rade i turbinski motori. Ali u njima se proces odvođenja topline nakon završetka korisnog adijabatskog širenja plina provodi duž izobare. Na avionima sa gasnoturbinskim i turboelisnim motorima, adijabatski proces se dešava dva puta: tokom kompresije i ekspanzije.
Da bi se potkrijepili svi fundamentalni koncepti adijabatskog procesa, predložene su formule za proračun. Ovdje se pojavljuje važna veličina, nazvana adijabatski eksponent. Njegova vrijednost za dvoatomski plin (kiseonik i dušik su glavni dvoatomski plinovi prisutni u zraku) je 1,4.adijabatskog eksponenta, koriste se još dvije zanimljive karakteristike, a to su: izobarični i izohorni toplotni kapacitet radnog fluida. Njihov odnos k=Cp/Cv je adijabatski eksponent.
Zašto se adijabatski proces koristi u teorijskim ciklusima toplotnih motora? Zapravo se odvijaju politropski procesi, ali zbog činjenice da se odvijaju velikom brzinom, uobičajeno je pretpostaviti da nema razmjene toplote sa okolinom.
90% električne energije proizvode termoelektrane. Kao radni fluid koriste vodenu paru. Dobija se kuhanjem vode. Da bi se povećao radni potencijal pare, ona se pregrijava. Pregrijana para se zatim pod visokim pritiskom dovodi u parnu turbinu. Ovdje se također odvija adijabatski proces ekspanzije pare. Turbina prima rotaciju, prenosi se na električni generator. To zauzvrat proizvodi električnu energiju za potrošače. Parne turbine rade po Rankineovom ciklusu. U idealnom slučaju, povećanje efikasnosti je takođe povezano sa povećanjem temperature i pritiska vodene pare.
Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, adijabatski proces je vrlo čest u proizvodnji mehaničke i električne energije.
