Aby zbudować silnik cieplny, który może działać przy użyciu ciepła, musisz stworzyć określone warunki. Przede wszystkim silnik cieplny musi pracować w trybie cyklicznym, gdzie szereg następujących po sobie procesów termodynamicznych tworzy cykl. W wyniku cyklu gaz zamknięty w cylindrze z ruchomym tłokiem działa. Jednak dla maszyny pracującej okresowo jeden cykl to za mało, musi ona wykonywać cykle w kółko przez określony czas. Całkowita praca wykonana w danym czasie w rzeczywistości, podzielona przez czas, daje kolejne ważne pojęcie - moc.
W połowie XIX wieku powstały pierwsze silniki cieplne. Działały, ale zużywały dużą ilość ciepła uzyskanego ze spalania paliwa. Wtedy to fizycy teoretyczni zadawali sobie pytania: „Jak działa gaz w silniku cieplnym? Jak uzyskać maksymalną wydajność przy minimalnym zużyciu paliwa?”
Aby przeprowadzić analizę prac gazowniczych, konieczne było wprowadzenie całego systemu definicji i pojęć. Całość wszystkich definicji stworzyła cały kierunek naukowy, który otrzymałtytuł: "Termodynamika techniczna". W termodynamice przyjęto szereg założeń, które w żaden sposób nie umniejszają głównych wniosków. Płyn roboczy to efemeryczny gaz (nieistniejący w naturze), który można skompresować do zerowej objętości, którego cząsteczki nie oddziałują ze sobą. W naturze istnieją tylko gazy rzeczywiste, które mają dobrze określone właściwości, które różnią się od gazu doskonałego.
Aby rozważyć modele dynamiki płynu roboczego, zaproponowano prawa termodynamiki opisujące główne procesy termodynamiczne, takie jak:
- proces izochoryczny to proces, który odbywa się bez zmiany objętości płynu roboczego. Warunek procesu izochorycznego, v=const;
- Proces izobaryczny to proces, który odbywa się bez zmiany ciśnienia w płynie roboczym. Izobaryczny warunek procesu, P=const;
- proces izotermiczny (izotermiczny) to proces, który odbywa się przy zachowaniu temperatury na określonym poziomie. Stan procesu izotermicznego, T=const;
- proces adiabatyczny (adiabatyczny, jak nazywają go współcześni ciepłownicy) to proces przeprowadzany w przestrzeni bez wymiany ciepła z otoczeniem. Stan procesu adiabatycznego, q=0;
- proces politropowy - jest to najbardziej uogólniony proces opisujący wszystkie powyższe procesy termodynamiczne, a także wszystkie inne możliwe do wykonania w cylindrze z ruchomym tłokiem.
Podczas tworzenia pierwszych silników cieplnych poszukiwano cyklu, w którym można uzyskać najwyższą wydajność(efektywność). Sadi Carnot, badając całość procesów termodynamicznych, z kaprysu doszedł do opracowania własnego cyklu, który otrzymał jego imię - cykl Carnota. Wykonuje sekwencyjnie proces izotermiczny, a następnie adiabatyczny. Płyn roboczy po wykonaniu tych procesów ma zapas energii wewnętrznej, ale cykl nie jest jeszcze zakończony, więc płyn roboczy rozszerza się i wykonuje proces ekspansji izotermicznej. Aby zakończyć cykl i powrócić do pierwotnych parametrów płynu roboczego, przeprowadzany jest proces rozprężania adiabatycznego.
Carnot udowodnił, że wydajność w jego cyklu osiąga maksimum i zależy tylko od temperatur obu izoterm. Im większa różnica między nimi, tym odpowiednio wyższa sprawność cieplna. Próby stworzenia silnika cieplnego według cyklu Carnota nie powiodły się. To idealny cykl, którego nie można spełnić. Ale udowodnił główną zasadę drugiej zasady termodynamiki o niemożności uzyskania pracy równej kosztowi energii cieplnej. Dla drugiej zasady termodynamiki sformułowano szereg definicji, na podstawie których Rudolf Clausius wprowadził pojęcie entropii. Głównym wnioskiem z jego badań jest to, że entropia stale wzrasta, co prowadzi do termicznej „śmierci”.
Najważniejszym osiągnięciem Clausiusa było zrozumienie istoty procesu adiabatycznego, kiedy jest on wykonywany, entropia płynu roboczego nie ulega zmianie. Dlatego według Clausiusa proces adiabatyczny to s=const. Oto entropia, która nadaje inną nazwę procesowi zachodzącemu bez dostarczania lub odprowadzania ciepła, proces izentropowy. Naukowiec szukałtaki cykl silnika cieplnego, w którym nie byłoby wzrostu entropii. Ale niestety tego nie zrobił. Dlatego wydedukował, że silnik cieplny w ogóle nie może zostać stworzony.
Ale nie wszyscy badacze byli tak pesymistyczni. Szukali prawdziwych cykli dla silników cieplnych. W wyniku ich poszukiwań Nikolaus August Otto stworzył własny cykl silnika cieplnego, który obecnie jest wdrażany w silnikach benzynowych. Tutaj odbywa się adiabatyczny proces sprężania płynu roboczego i izochoryczne dostarczanie ciepła (spalanie paliwa w stałej objętości), następnie pojawia się rozszerzenie adiabatyczne (pracę wykonuje płyn roboczy w procesie zwiększania jego objętości) i izochoryczne usuwanie ciepła. Pierwsze silniki spalinowe cyklu Otto wykorzystywały jako paliwo gazy palne. Znacznie później wynaleziono gaźniki, które zaczęły tworzyć mieszanki benzynowo-powietrzne z oparami benzyny i dostarczać je do cylindra silnika.
W cyklu Otto mieszanina palna jest sprężana, więc jej kompresja jest stosunkowo niewielka - mieszanina palna ma tendencję do detonacji (eksploduje po osiągnięciu krytycznych ciśnień i temperatur). Dlatego praca podczas procesu kompresji adiabatycznej jest stosunkowo niewielka. Wprowadzono tu inną koncepcję: stopień kompresji to stosunek całkowitej objętości do objętości kompresji.
Poszukiwanie sposobów na zwiększenie efektywności energetycznej paliw trwało. Wzrost wydajności zaobserwowano we wzroście stopnia sprężania. Rudolf Diesel opracował własny cykl, w którym dostarczane jest ciepłopod stałym ciśnieniem (w procesie izobarycznym). Jego cykl stanowił podstawę silników wykorzystujących olej napędowy (jest również nazywany olejem napędowym). Cykl Diesla nie kompresuje mieszanki palnej, ale powietrze. Dlatego mówi się, że praca jest wykonywana w procesie adiabatycznym. Temperatura i ciśnienie pod koniec sprężania są wysokie, więc paliwo jest wtryskiwane przez wtryskiwacze. Miesza się z gorącym powietrzem, tworząc mieszankę palną. Wypala się, a energia wewnętrzna płynu roboczego wzrasta. Co więcej, rozszerzanie się gazu przebiega wzdłuż adiabatyki, wykonywany jest skok roboczy.
Próba wdrożenia cyklu Diesla w silnikach cieplnych nie powiodła się, więc Gustav Trinkler stworzył połączony cykl Trinkler. Jest stosowany w dzisiejszych silnikach wysokoprężnych. W cyklu Trinkler ciepło jest dostarczane wzdłuż izochory, a następnie wzdłuż izobary. Dopiero po tym następuje adiabatyczny proces rozszerzania się płynu roboczego.
Przez analogię do tłokowych silników cieplnych działają również silniki turbinowe. Ale w nich proces usuwania ciepła po zakończeniu użytecznej adiabatycznej ekspansji gazu odbywa się wzdłuż izobary. W samolotach z turbiną gazową i silnikami turbośmigłowymi proces adiabatyczny zachodzi dwukrotnie: podczas sprężania i rozprężania.
Aby uzasadnić wszystkie podstawowe koncepcje procesu adiabatycznego, zaproponowano wzory obliczeniowe. Pojawia się tutaj ważna wielkość, zwana wykładnikiem adiabatycznym. Jego wartość dla gazu dwuatomowego (tlen i azot są głównymi gazami dwuatomowymi obecnymi w powietrzu) wynosi 1,4.wykładnika adiabatycznego wykorzystuje się jeszcze dwie interesujące cechy, a mianowicie: izobaryczną i izochoryczną pojemność cieplną płynu roboczego. Ich stosunek k=Cp/Cv jest wykładnikiem adiabatycznym.
Dlaczego proces adiabatyczny jest wykorzystywany w teoretycznych cyklach silników cieplnych? W rzeczywistości procesy politropowe są przeprowadzane, ale ze względu na to, że zachodzą one z dużą prędkością, przyjmuje się, że nie ma wymiany ciepła z otoczeniem.
90% energii elektrycznej jest wytwarzane przez elektrownie cieplne. Jako płyn roboczy wykorzystują parę wodną. Uzyskuje się go przez gotowanie wody. Aby zwiększyć potencjał roboczy pary, jest ona przegrzewana. Przegrzana para jest następnie podawana pod wysokim ciśnieniem do turbiny parowej. Zachodzi tu również adiabatyczny proces rozprężania pary. Turbina otrzymuje obrót, jest przekazywana do generatora elektrycznego. To z kolei generuje energię elektryczną dla konsumentów. Turbiny parowe działają w cyklu Rankine'a. Idealnie, wzrost wydajności wiąże się również ze wzrostem temperatury i ciśnienia pary wodnej.
Jak widać z powyższego, proces adiabatyczny jest bardzo powszechny w produkcji energii mechanicznej i elektrycznej.
