Om 'n hitte-enjin te bou wat werk kan doen deur hitte te gebruik, moet jy sekere toestande skep. Eerstens moet 'n hitte-enjin in 'n sikliese modus werk, waar 'n reeks opeenvolgende termodinamiese prosesse 'n siklus skep. As gevolg van die siklus werk die gas wat in 'n silinder met 'n beweegbare suier ingesluit is. Maar een siklus is nie genoeg vir 'n periodiek werkende masjien nie; dit moet siklusse oor en oor uitvoer vir 'n sekere tyd. Die totale werk wat in 'n gegewe tyd in werklikheid verrig is, gedeel deur tyd, gee nog 'n belangrike konsep - krag.
In die middel van die 19de eeu is die eerste hitte-enjins geskep. Hulle het wel gewerk, maar 'n groot hoeveelheid hitte wat uit die verbranding van brandstof verkry is, verbruik. Dit was toe dat teoretiese fisici hulself vrae vra: “Hoe werk gas in’n hitte-enjin? Hoe om maksimum werkverrigting met minimum brandstofverbruik te kry?”
Om 'n ontleding van gaswerk te doen, was dit nodig om 'n hele stelsel van definisies en konsepte in te voer. Die totaliteit van alle definisies het 'n hele wetenskaplike rigting geskep, wat ontvang hettitel: "Tegniese termodinamika". In termodinamika is 'n aantal aannames gemaak wat geensins afbreuk doen aan die hoofgevolgtrekkings nie. Die werkvloeistof is 'n kortstondige gas (wat nie in die natuur bestaan nie), wat tot nul volume saamgepers kan word, waarvan die molekules nie met mekaar in wisselwerking is nie. In die natuur is daar net regte gasse wat goed gedefinieerde eienskappe het wat verskil van 'n ideale gas.
Om modelle van die dinamika van die werkvloeistof te oorweeg, is die wette van termodinamika voorgestel, wat die belangrikste termodinamiese prosesse beskryf, soos:
- isochoriese proses is 'n proses wat uitgevoer word sonder om die volume van die werksvloeistof te verander. Isokoriese prosestoestand, v=const;
- isobariese proses is 'n proses wat uitgevoer word sonder om die druk in die werksvloeistof te verander. Isobariese prosestoestand, P=konst;
- isotermiese (isotermiese) proses is 'n proses wat uitgevoer word terwyl die temperatuur op 'n gegewe vlak gehandhaaf word. Isotermiese proses toestand, T=konst;
- adiabatiese proses (adiabaties, soos moderne hitte-ingenieurs dit noem) is 'n proses wat in die ruimte uitgevoer word sonder hitte-uitruiling met die omgewing. Adiabatiese prosestoestand, q=0;
- politropiese proses - dit is die mees algemene proses wat al die bogenoemde termodinamiese prosesse beskryf, sowel as al die ander moontlik om in 'n silinder met 'n beweegbare suier uit te voer.
Tydens die skepping van die eerste hitte-enjins was hulle op soek na 'n siklus waarin jy die hoogste doeltreffendheid kan kry(doeltreffendheid). Sadi Carnot, wat die geheel van termodinamiese prosesse ondersoek het, het op 'n bevlieging tot die ontwikkeling van sy eie siklus gekom, wat sy naam gekry het - die Carnot-siklus. Dit voer opeenvolgend 'n isotermiese, dan 'n adiabatiese kompressieproses uit. Die werkvloeistof nadat hierdie prosesse uitgevoer is, het 'n reserwe van interne energie, maar die siklus is nog nie voltooi nie, so die werkvloeistof sit uit en voer 'n isotermiese uitsettingsproses uit. Om die siklus te voltooi en terug te keer na die oorspronklike parameters van die werkvloeistof, word 'n adiabatiese uitsettingsproses uitgevoer.
Carnot het bewys dat die doeltreffendheid in sy siklus 'n maksimum bereik en slegs afhang van die temperature van die twee isoterme. Hoe hoër die verskil tussen hulle, hoe hoër termiese doeltreffendheid. Pogings om 'n hitte-enjin volgens die Carnot-siklus te skep, was nie suksesvol nie. Dit is 'n ideale siklus wat nie vervul kan word nie. Maar hy het die hoofbeginsel van die tweede wet van termodinamika bewys oor die onmoontlikheid om werk gelykstaande aan die koste van termiese energie te verkry. 'n Aantal definisies is vir die tweede wet van termodinamika geformuleer, op grond waarvan Rudolf Clausius die begrip entropie bekend gestel het. Die hoofgevolgtrekking van sy navorsing is dat entropie voortdurend toeneem, wat tot termiese "dood" lei.
Die belangrikste prestasie van Clausius was die begrip van die essensie van die adiabatiese proses, wanneer dit uitgevoer word, verander die entropie van die werksvloeistof nie. Daarom, volgens Clausius, is die adiabatiese proses s=konst. Hier is die entropie, wat 'n ander naam gee aan die proses wat uitgevoer word sonder die verskaffing of verwydering van hitte, die isentropiese proses. Die wetenskaplike het gesoekso 'n siklus van 'n hitte-enjin waar daar geen toename in entropie sal wees nie. Maar ongelukkig het hy versuim om dit te doen. Daarom het hy afgelei dat 'n hitte-enjin glad nie geskep kan word nie.
Maar nie alle navorsers was so pessimisties nie. Hulle was op soek na regte siklusse vir hitte-enjins. As gevolg van hul soektog het Nikolaus August Otto sy eie siklus van die hitte-enjin geskep, wat nou in petrolenjins geïmplementeer word. Hier word die adiabatiese proses van saampersing van die werksvloeistof en isochoriese hittetoevoer (verbranding van brandstof teen 'n konstante volume) uitgevoer, dan verskyn die adiabatiese uitsetting (werk word gedoen deur die werksvloeistof in die proses om sy volume te vergroot) en isochoriese hitte verwydering. Die eerste binnebrandenjins van die Otto-siklus het brandbare gasse as brandstof gebruik. Heelwat later is vergassers uitgevind, wat begin het om petrol-lugmengsels van lug met petroldampe te skep en dit na die enjinsilinder toe te voer.
In die Otto-siklus word die brandbare mengsel saamgepers, dus die saampersing daarvan is relatief klein - die brandbare mengsel is geneig om te ontplof (ontplof wanneer kritieke druk en temperature bereik word). Daarom is die werk tydens die adiabatiese kompressieproses relatief klein. Nog 'n konsep word hier bekendgestel: die kompressieverhouding is die verhouding van die totale volume tot die volume van kompressie.
Die soektog na maniere om brandstofdoeltreffendheid te verhoog, het voortgegaan. 'n Toename in doeltreffendheid is gesien in 'n toename in die kompressieverhouding. Rudolf Diesel het sy eie siklus ontwikkel waarin hitte voorsien wordby konstante druk (in isobariese proses). Sy siklus het die basis gevorm van enjins wat dieselbrandstof gebruik (dit word ook dieselbrandstof genoem). Die Diesel-siklus druk nie die brandbare mengsel saam nie, maar lug. Daarom word gesê dat werk in 'n adiabatiese proses gedoen word. Die temperatuur en druk aan die einde van kompressie is hoog, dus brandstof word deur die inspuiters ingespuit. Dit meng met warm lug, vorm 'n brandbare mengsel. Dit brand uit, terwyl die interne energie van die werkvloeistof toeneem. Verder gaan die uitsetting van die gas langs die adiabatiese, 'n werkslag word gemaak.
Die poging om die Diesel-siklus in hitte-enjins te implementeer het misluk, so Gustav Trinkler het die gekombineerde Trinkler-siklus geskep. Dit word in vandag se dieselenjins gebruik. In die Trinkler-siklus word hitte langs die isochoor en dan langs die isobaar voorsien. Eers daarna word die adiabatiese proses van uitsetting van die werksvloeistof uitgevoer.
Deur analogie met resiprokerende hitte-enjins, werk turbine-enjins ook. Maar in hulle word die proses van hitteverwydering na die voltooiing van die nuttige adiabatiese uitbreiding van die gas langs die isobar uitgevoer. Op vliegtuie met gasturbine- en turboprop-enjins vind die adiabatiese proses twee keer plaas: tydens kompressie en uitsetting.
Om al die fundamentele konsepte van die adiabatiese proses te staaf, is berekeningsformules voorgestel. 'n Belangrike hoeveelheid kom hier voor, wat die adiabatiese eksponent genoem word. Die waarde daarvan vir 'n diatomiese gas (suurstof en stikstof is die belangrikste diatomiese gasse wat in die lug teenwoordig is) is 1.4. Om te berekendie adiabatiese eksponent, word nog twee interessante kenmerke gebruik, naamlik: die isobariese en isochoriese hittekapasiteite van die werksvloeistof. Hulle verhouding k=Cp/Cv is die adiabatiese eksponent.
Waarom word die adiabatiese proses in die teoretiese siklusse van hitte-enjins gebruik? Trouens, politropiese prosesse word uitgevoer, maar as gevolg van die feit dat dit teen 'n hoë spoed plaasvind, is dit gebruiklik om te aanvaar dat daar geen hitte-uitruiling met die omgewing is nie.
90% van elektrisiteit word deur termiese kragsentrales opgewek. Hulle gebruik waterdamp as die werkvloeistof. Dit word verkry deur water te kook. Om die werkspotensiaal van stoom te verhoog, word dit oorverhit. Die oorverhitte stoom word dan teen hoë druk na 'n stoomturbine gevoer. Die adiabatiese proses van stoomuitsetting vind ook hier plaas. Die turbine ontvang rotasie, dit word oorgedra na 'n elektriese kragopwekker. Dit genereer weer elektrisiteit vir verbruikers. Stoomturbines werk op die Rankine-siklus. Ideaal gesproke word die toename in doeltreffendheid ook geassosieer met 'n toename in die temperatuur en druk van die waterdamp.
Soos uit bogenoemde gesien kan word, is die adiabatiese proses baie algemeen in die produksie van meganiese en elektriese energie.
