Jos haluat rakentaa lämpömoottorin, joka voi tehdä työtä käyttämällä lämpöä, sinun on luotava tietyt olosuhteet. Ensinnäkin lämpökoneen on toimittava syklisessä tilassa, jossa sarja peräkkäisiä termodynaamisia prosesseja luo syklin. Syklin seurauksena liikkuvalla männällä varustettuun sylinteriin suljettu kaasu toimii. Jaksottaisesti toimivalle koneelle ei kuitenkaan riitä yksi sykli, vaan sen on suoritettava jaksoja uudestaan ja uudestaan tietyn ajan. Tiettynä aikana todellisuudessa suoritettu kokonaistyö ajalla jaettuna antaa toisen tärkeän käsitteen - tehon.
1800-luvun puolivälissä luotiin ensimmäiset lämpömoottorit. He tekivät työtä, mutta käyttivät suuren määrän polttoaineen palamisesta saatua lämpöä. Silloin teoreettiset fyysikot esittivät itselleen kysymyksiä: Kuinka kaasu toimii lämpökoneessa? Kuinka saada maksimaalinen suorituskyky minimaalisella polttoaineen kulutuksella?”
Kaasutyön analyysin suorittamiseksi oli tarpeen ottaa käyttöön koko määritelmä- ja käsitejärjestelmä. Kaikkien määritelmien kokonaisuus loi kokonaisen tieteellisen suunnan, joka saiotsikko: "Tekninen termodynamiikka". Termodynamiikassa on tehty useita oletuksia, jotka eivät millään tavalla horjuta pääpäätelmiä. Työneste on lyhytkestoinen kaasu (ei luonnossa), joka voidaan puristaa nollaan tilavuuteen ja jonka molekyylit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Luonnossa on vain todellisia kaasuja, joilla on tarkasti määritellyt ominaisuudet, jotka eroavat ihanteellisesta kaasusta.
Työnesteen dynamiikan mallien harkitsemiseksi ehdotettiin termodynamiikan lakeja, jotka kuvaavat tärkeimpiä termodynaamisia prosesseja, kuten:
- isokorinen prosessi on prosessi, joka suoritetaan muuttamatta käyttönesteen tilavuutta. Isokoorinen prosessiehto, v=const;
- isobarinen prosessi on prosessi, joka suoritetaan muuttamatta käyttönesteen painetta. Isobarinen prosessiehto, P=vakio;
- isoterminen (isoterminen) prosessi on prosessi, joka suoritetaan säilyttäen lämpötila tietyllä tasolla. Isoterminen prosessitila, T=const;
- adiabaattinen prosessi (adiabaattinen, kuten nykyaikaiset lämpöinsinöörit sitä kutsuvat) on prosessi, joka suoritetaan avaruudessa ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa. Adiabaattisen prosessin ehto, q=0;
- polytrooppinen prosessi - tämä on yleisin prosessi, joka kuvaa kaikkia yllä olevia termodynaamisia prosesseja, sekä kaikkia muita, jotka on mahdollista suorittaa sylinterissä, jossa on liikkuva mäntä.
Ensimmäisten lämpömoottoreiden luomisen aikana he etsivät sykliä, jossa voit saada suurimman hyötysuhteen(tehokkuus). Termodynaamisten prosessien kokonaisuutta tutkiva Sadi Carnot tuli mielijohteesta oman syklinsä kehittämiseen, joka sai nimensä - Carnot-sykli. Se suorittaa peräkkäin isotermisen ja sitten adiabaattisen puristusprosessin. Näiden prosessien suorittamisen jälkeen työnesteellä on sisäisen energian reservi, mutta sykli ei ole vielä päättynyt, joten työneste laajenee ja suorittaa isotermisen laajenemisprosessin. Jakson loppuunsaattamiseksi ja käyttönesteen alkuperäisiin parametreihin palaamiseksi suoritetaan adiabaattinen laajennusprosessi.
Carnot osoitti, että hänen syklinsä tehokkuus saavuttaa maksiminsa ja riippuu vain kahden isotermin lämpötiloista. Mitä suurempi ero niiden välillä on, sitä suurempi on vastaavasti lämpötehokkuus. Yritykset luoda lämpömoottori Carnot-syklin mukaan eivät ole onnistuneet. Tämä on ihanteellinen sykli, jota ei voida täyttää. Mutta hän osoitti termodynamiikan toisen lain pääperiaatteen mahdottomuudesta saada lämpöenergian kustannuksia vastaavaa työtä. Termodynamiikan toiselle laille muotoiltiin useita määritelmiä, joiden perusteella Rudolf Clausius esitteli entropian käsitteen. Hänen tutkimuksensa pääjohtopäätös on, että entropia kasvaa jatkuvasti, mikä johtaa termiseen "kuolemaan".
Clausiuksen tärkein saavutus oli adiabaattisen prosessin olemuksen ymmärtäminen, kun sitä suoritetaan, työnesteen entropia ei muutu. Siksi Clausiuksen mukaan adiabaattinen prosessi on s=const. Tässä s on entropia, joka antaa toisen nimen prosessille, joka suoritetaan ilman lämmön syöttämistä tai poistamista, isentrooppinen prosessi. Tiedemies etsisellainen lämpökoneen sykli, jossa entropia ei kasvaisi. Mutta valitettavasti hän ei onnistunut siinä. Siksi hän päätteli, että lämpökonetta ei voida luoda ollenkaan.
Mutta kaikki tutkijat eivät olleet niin pessimistisiä. He etsivät oikeita syklejä lämpömoottoreille. Heidän etsintönsä tuloksena Nikolaus August Otto loi oman lämpömoottorisyklinsä, joka on nyt toteutettu bensiinimoottoreissa. Täällä suoritetaan työnesteen adiabaattinen puristusprosessi ja isokorinen lämmönsyötö (polttoaineen palaminen vakiotilavuudessa), sitten ilmestyy adiabaattinen laajeneminen (työneste tekee työskentelyn lisäämällä sen tilavuutta) ja isokorinen lämmön poisto. Otto-syklin ensimmäisissä polttomoottoreissa käytettiin polttoaineena palavia kaasuja. Paljon myöhemmin keksittiin kaasuttimet, jotka alkoivat luoda bensiini-ilmaseoksia ilmasta bensiinihöyryjen kanssa ja syöttää niitä moottorin sylinteriin.
Otto-syklissä palava seos puristetaan, joten sen puristus on suhteellisen pieni - palavalla seoksella on taipumus räjähtää (räjähtää kun kriittiset paineet ja lämpötilat saavutetaan). Siksi työ adiabaattisen puristusprosessin aikana on suhteellisen pientä. Tässä esitellään toinen käsite: puristussuhde on kokonaistilavuuden suhde puristustilavuuteen.
Polttoaineenergiatehokkuuden lisäämiskeinojen etsiminen jatkui. Tehokkuus lisääntyi puristussuhteen kasvuna. Rudolf Diesel kehitti oman kiertonsa, jossa lämpö toimitetaanvakiopaineessa (isobarisessa prosessissa). Hänen syklinsä muodosti perustan dieselpolttoainetta käyttäville moottoreille (setä kutsutaan myös dieselpolttoaineeksi). Diesel-kierto ei purista palavaa seosta, vaan ilmaa. Siksi työn sanotaan tehtävän adiabaattisessa prosessissa. Lämpötila ja paine puristuksen lopussa ovat korkeat, joten polttoainetta ruiskutetaan suuttimien kautta. Se sekoittuu kuumaan ilmaan ja muodostaa palavan seoksen. Se palaa, kun taas työnesteen sisäinen energia kasvaa. Lisäksi kaasun laajeneminen etenee adiabaattista pitkin, tehdään työisku.
Yritys toteuttaa Diesel-sykli lämpömoottoreissa epäonnistui, joten Gustav Trinkler loi yhdistetyn Trinkler-syklin. Sitä käytetään nykypäivän dieselmoottoreissa. Trinkler-syklissä lämpöä syötetään pitkin isokoria ja sitten pitkin isobaria. Vasta sen jälkeen suoritetaan käyttönesteen adiabaattinen laajenemisprosessi.
Analogisesti mäntälämpömoottorien kanssa, myös turbiinimoottorit toimivat. Mutta niissä lämmönpoistoprosessi suoritetaan kaasun hyödyllisen adiabaattisen laajenemisen päätyttyä isobaaria pitkin. Kaasuturbiini- ja potkuriturbiinimoottorilla varustetuissa lentokoneissa adiabaattinen prosessi tapahtuu kahdesti: puristuksen ja laajenemisen aikana.
Adiabaattisen prosessin kaikkien peruskäsitteiden perustelemiseksi ehdotettiin laskentakaavoja. Tässä näkyy tärkeä suure, jota kutsutaan adiabaattiseksi eksponenttiksi. Sen arvo kaksiatomiselle kaasulle (happi ja typpi ovat tärkeimmät kaksiatomiset kaasut ilmassa) on 1,4.adiabaattista eksponenttia käytetään kahta mielenkiintoisempaa ominaisuutta, nimittäin: työnesteen isobaarisia ja isokorisia lämpökapasiteetteja. Niiden suhde k=Cp/Cv on adiabaattinen eksponentti.
Miksi adiabaattista prosessia käytetään lämpökoneiden teoreettisissa sykleissä? Itse asiassa polytrooppisia prosesseja suoritetaan, mutta koska ne tapahtuvat suurella nopeudella, on tapana olettaa, että ympäristön kanssa ei tapahdu lämmönvaihtoa.
90 % sähköstä tuotetaan lämpövoimalaitoksissa. Ne käyttävät vesihöyryä työskentelynesteenä. Se saadaan keittämällä vettä. Höyryn käyttöpotentiaalin lisäämiseksi se tulistetaan. Tulistettu höyry syötetään sitten korkealla paineella höyryturbiiniin. Täällä tapahtuu myös adiabaattinen höyrylaajennusprosessi. Turbiini saa kierron, se siirretään sähkögeneraattoriin. Se puolestaan tuottaa sähköä kuluttajille. Höyryturbiinit toimivat Rankinen syklillä. Ihannetapauksessa tehokkuuden kasvu liittyy myös vesihöyryn lämpötilan ja paineen nousuun.
Kuten yllä olevasta voidaan nähdä, adiabaattinen prosessi on hyvin yleinen mekaanisen ja sähköisen energian tuotannossa.
