Για να κατασκευάσετε μια θερμική μηχανή που να μπορεί να λειτουργήσει χρησιμοποιώντας θερμότητα, πρέπει να δημιουργήσετε ορισμένες προϋποθέσεις. Πρώτα απ 'όλα, ένας θερμικός κινητήρας πρέπει να λειτουργεί σε κυκλική λειτουργία, όπου μια σειρά διαδοχικών θερμοδυναμικών διεργασιών δημιουργούν έναν κύκλο. Ως αποτέλεσμα του κύκλου, το αέριο που περικλείεται σε έναν κύλινδρο με ένα κινητό έμβολο λειτουργεί. Αλλά ένας κύκλος δεν είναι αρκετός για ένα μηχάνημα που λειτουργεί περιοδικά· πρέπει να εκτελεί κύκλους ξανά και ξανά για ορισμένο χρόνο. Η συνολική εργασία που εκτελείται κατά τη διάρκεια ενός δεδομένου χρόνου στην πραγματικότητα, διαιρεμένη με το χρόνο, δίνει μια άλλη σημαντική έννοια - την ισχύ.
Στα μέσα του 19ου αιώνα δημιουργήθηκαν οι πρώτες θερμικές μηχανές. Έκαναν δουλειά, αλλά ξόδεψαν μεγάλη ποσότητα θερμότητας που προέκυψε από την καύση του καυσίμου. Τότε ήταν που οι θεωρητικοί φυσικοί έθεσαν στον εαυτό τους ερωτήσεις: «Πώς λειτουργεί το αέριο σε μια θερμική μηχανή; Πώς να επιτύχετε τη μέγιστη απόδοση με ελάχιστη χρήση καυσίμου;»
Για να πραγματοποιηθεί μια ανάλυση του έργου αερίου, ήταν απαραίτητο να εισαχθεί ένα ολόκληρο σύστημα ορισμών και εννοιών. Το σύνολο όλων των ορισμών δημιούργησε μια ολόκληρη επιστημονική κατεύθυνση, η οποία έλαβετίτλος: «Τεχνική θερμοδυναμική». Στη θερμοδυναμική, έχουν γίνει ορισμένες υποθέσεις που σε καμία περίπτωση δεν αφαιρούν από τα κύρια συμπεράσματα. Το ρευστό εργασίας είναι ένα εφήμερο αέριο (δεν υπάρχει στη φύση), το οποίο μπορεί να συμπιεστεί σε μηδενικό όγκο, τα μόρια του οποίου δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Στη φύση, υπάρχουν μόνο πραγματικά αέρια που έχουν σαφώς καθορισμένες ιδιότητες που διαφέρουν από ένα ιδανικό αέριο.
Για την εξέταση μοντέλων της δυναμικής του ρευστού εργασίας, προτάθηκαν οι νόμοι της θερμοδυναμικής, που περιγράφουν τις κύριες θερμοδυναμικές διεργασίες, όπως:
Η
Η
Η
Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας των πρώτων θερμικών μηχανών, αναζητούσαν έναν κύκλο στον οποίο μπορείτε να έχετε την υψηλότερη απόδοση(αποδοτικότητα). Ο Sadi Carnot, εξερευνώντας το σύνολο των θερμοδυναμικών διεργασιών, με μια ιδιοτροπία έφτασε στην ανάπτυξη του δικού του κύκλου, ο οποίος έλαβε το όνομά του - ο κύκλος Carnot. Εκτελεί διαδοχικά μια ισόθερμη και στη συνέχεια μια διαδικασία αδιαβατικής συμπίεσης. Το ρευστό εργασίας μετά την εκτέλεση αυτών των διεργασιών έχει ένα απόθεμα εσωτερικής ενέργειας, αλλά ο κύκλος δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί, επομένως το ρευστό εργασίας διαστέλλεται και εκτελεί μια διαδικασία ισοθερμικής διαστολής. Για την ολοκλήρωση του κύκλου και την επιστροφή στις αρχικές παραμέτρους του ρευστού εργασίας, εκτελείται μια διαδικασία αδιαβατικής διαστολής.
Ο
Carnot απέδειξε ότι η απόδοση στον κύκλο του φτάνει στο μέγιστο και εξαρτάται μόνο από τις θερμοκρασίες των δύο ισόθερμων. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερη είναι και η θερμική απόδοση. Οι προσπάθειες δημιουργίας θερμικής μηχανής σύμφωνα με τον κύκλο Carnot δεν στέφθηκαν με επιτυχία. Αυτός είναι ένας ιδανικός κύκλος που δεν μπορεί να εκπληρωθεί. Αλλά απέδειξε την κύρια αρχή του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής σχετικά με την αδυναμία απόκτησης εργασίας ίσης με το κόστος της θερμικής ενέργειας. Διάφοροι ορισμοί διατυπώθηκαν για τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, βάσει του οποίου ο Rudolf Clausius εισήγαγε την έννοια της εντροπίας. Το βασικό συμπέρασμα της έρευνάς του είναι ότι η εντροπία αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που οδηγεί σε θερμικό «θάνατο».
Το πιο σημαντικό επίτευγμα του Clausius ήταν η κατανόηση της ουσίας της αδιαβατικής διαδικασίας, όταν εκτελείται, η εντροπία του ρευστού εργασίας δεν αλλάζει. Επομένως, σύμφωνα με τον Clausius, η αδιαβατική διαδικασία είναι s=const. Εδώ s είναι η εντροπία, που δίνει άλλο όνομα στη διεργασία που εκτελείται χωρίς την παροχή ή την αφαίρεση θερμότητας, την ισεντροπική διεργασία. Ο επιστήμονας έψαχνεένας τέτοιος κύκλος μιας θερμικής μηχανής όπου δεν θα υπήρχε αύξηση της εντροπίας. Όμως, δυστυχώς, δεν τα κατάφερε. Επομένως, συμπέρανε ότι δεν μπορεί να δημιουργηθεί καθόλου θερμική μηχανή.
Αλλά δεν ήταν όλοι οι ερευνητές τόσο απαισιόδοξοι. Έψαχναν πραγματικούς κύκλους για θερμικές μηχανές. Ως αποτέλεσμα της αναζήτησής τους, ο Nikolaus August Otto δημιούργησε τον δικό του κύκλο της θερμικής μηχανής, ο οποίος πλέον εφαρμόζεται σε βενζινοκινητήρες. Εδώ, εκτελείται η αδιαβατική διαδικασία συμπίεσης του ρευστού εργασίας και η ισοχορική παροχή θερμότητας (καύση καυσίμου σε σταθερό όγκο), στη συνέχεια εμφανίζεται η αδιαβατική διαστολή (η εργασία γίνεται από το λειτουργικό ρευστό κατά τη διαδικασία αύξησης του όγκου του) και ισοχωρική απομάκρυνση θερμότητας. Οι πρώτες μηχανές εσωτερικής καύσης του κύκλου Otto χρησιμοποιούσαν εύφλεκτα αέρια ως καύσιμο. Πολύ αργότερα, εφευρέθηκαν τα καρμπυρατέρ, τα οποία άρχισαν να δημιουργούν μίγματα αέρα βενζίνης-αέρα με ατμούς βενζίνης και να τα τροφοδοτούν στον κύλινδρο του κινητήρα.
Στον κύκλο Otto, το εύφλεκτο μείγμα συμπιέζεται, επομένως η συμπίεσή του είναι σχετικά μικρή - το εύφλεκτο μείγμα τείνει να εκραγεί (εκρήγνυται όταν επιτυγχάνονται κρίσιμες πιέσεις και θερμοκρασίες). Επομένως, η εργασία κατά τη διαδικασία της αδιαβατικής συμπίεσης είναι σχετικά μικρή. Μια άλλη έννοια εισάγεται εδώ: ο λόγος συμπίεσης είναι ο λόγος του συνολικού όγκου προς τον όγκο συμπίεσης.
Η αναζήτηση τρόπων αύξησης της ενεργειακής απόδοσης των καυσίμων συνεχίστηκε. Αύξηση της απόδοσης παρατηρήθηκε σε αύξηση του λόγου συμπίεσης. Ο Rudolf Diesel ανέπτυξε τον δικό του κύκλο στον οποίο παρέχεται θερμότητασε σταθερή πίεση (σε ισοβαρή διεργασία). Ο κύκλος του αποτέλεσε τη βάση των κινητήρων που χρησιμοποιούν καύσιμο ντίζελ (ονομάζεται επίσης καύσιμο ντίζελ). Ο κύκλος Diesel δεν συμπιέζει το εύφλεκτο μείγμα, αλλά τον αέρα. Επομένως, η εργασία λέγεται ότι γίνεται με αδιαβατική διαδικασία. Η θερμοκρασία και η πίεση στο τέλος της συμπίεσης είναι υψηλές, επομένως το καύσιμο ψεκάζεται μέσω των μπεκ. Αναμιγνύεται με ζεστό αέρα, σχηματίζει ένα εύφλεκτο μείγμα. Καίγεται, ενώ η εσωτερική ενέργεια του ρευστού εργασίας αυξάνεται. Περαιτέρω, η διαστολή του αερίου πηγαίνει κατά μήκος του αδιαβατικού, γίνεται μια διαδρομή εργασίας.
Η προσπάθεια εφαρμογής του κύκλου Diesel στις θερμικές μηχανές απέτυχε, έτσι ο Gustav Trinkler δημιούργησε τον συνδυασμένο κύκλο Trinkler. Χρησιμοποιείται στους σημερινούς κινητήρες ντίζελ. Στον κύκλο Trinkler, η θερμότητα παρέχεται κατά μήκος της ισοχώρας και στη συνέχεια κατά μήκος της ισοβαρής. Μόνο μετά από αυτό γίνεται η αδιαβατική διαδικασία διαστολής του ρευστού εργασίας.
Κατά αναλογία με τους παλινδρομικούς κινητήρες θερμότητας, λειτουργούν και οι στροβιλοκινητήρες. Αλλά σε αυτά, η διαδικασία απομάκρυνσης θερμότητας μετά την ολοκλήρωση της χρήσιμης αδιαβατικής διαστολής του αερίου πραγματοποιείται κατά μήκος της ισοβαρής. Σε αεροσκάφη με αεριοστρόβιλο και κινητήρες στροβιλοκινητήρα, η αδιαβατική διαδικασία συμβαίνει δύο φορές: κατά τη συμπίεση και τη διαστολή.
Για να τεκμηριωθούν όλες οι θεμελιώδεις έννοιες της αδιαβατικής διαδικασίας, προτάθηκαν τύποι υπολογισμού. Εδώ εμφανίζεται μια σημαντική ποσότητα, που ονομάζεται αδιαβατικός εκθέτης. Η τιμή του για ένα διατομικό αέριο (το οξυγόνο και το άζωτο είναι τα κύρια διατομικά αέρια που υπάρχουν στον αέρα) είναι 1,4.ο αδιαβατικός εκθέτης, χρησιμοποιούνται δύο ακόμη ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, δηλαδή: η ισοβαρική και η ισοχωρική θερμοχωρητικότητα του ρευστού εργασίας. Ο λόγος τους k=Cp/Cv είναι ο αδιαβατικός εκθέτης.
Γιατί χρησιμοποιείται η αδιαβατική διαδικασία στους θεωρητικούς κύκλους των θερμικών μηχανών; Στην πραγματικότητα, εκτελούνται πολυτροπικές διεργασίες, αλλά λόγω του γεγονότος ότι συμβαίνουν με υψηλή ταχύτητα, συνηθίζεται να υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον.
90% της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Χρησιμοποιούν υδρατμούς ως ρευστό εργασίας. Λαμβάνεται με βραστό νερό. Για να αυξηθεί το δυναμικό λειτουργίας του ατμού, υπερθερμαίνεται. Ο υπέρθερμος ατμός στη συνέχεια τροφοδοτείται υπό υψηλή πίεση σε μια τουρμπίνα ατμού. Εδώ λαμβάνει χώρα και η αδιαβατική διαδικασία διαστολής του ατμού. Ο στρόβιλος δέχεται περιστροφή, μεταφέρεται σε ηλεκτρική γεννήτρια. Αυτό, με τη σειρά του, παράγει ηλεκτρική ενέργεια για τους καταναλωτές. Οι ατμοστρόβιλοι λειτουργούν στον κύκλο Rankine. Στην ιδανική περίπτωση, η αύξηση της απόδοσης σχετίζεται επίσης με αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης των υδρατμών.
Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, η αδιαβατική διαδικασία είναι πολύ συνηθισμένη στην παραγωγή μηχανικής και ηλεκτρικής ενέργειας.
