For at bygge en varmemotor, der kan udføre arbejde ved at bruge varme, skal du skabe visse betingelser. Først og fremmest skal en varmemotor fungere i en cyklisk tilstand, hvor en række på hinanden følgende termodynamiske processer skaber en cyklus. Som et resultat af cyklussen virker gassen indesluttet i en cylinder med et bevægeligt stempel. Men én cyklus er ikke nok for en periodisk fungerende maskine; den skal udføre cyklusser igen og igen i en vis tid. Det samlede arbejde udført i løbet af en given tid i virkeligheden, divideret med tid, giver et andet vigtigt koncept - magt.
I midten af det 19. århundrede blev de første varmemotorer skabt. De virkede, men brugte en stor mængde varme fra forbrændingen af brændstof. Det var dengang, at teoretiske fysikere stillede sig selv spørgsmål: "Hvordan fungerer gas i en varmemotor? Hvordan får man maksimal ydeevne med minim alt brændstofforbrug?"
For at udføre en analyse af gasarbejde var det nødvendigt at indføre et helt system af definitioner og begreber. Helheden af alle definitioner skabte en hel videnskabelig retning, som modtogtitel: "Teknisk termodynamik". I termodynamikken er der lavet en række antagelser, der på ingen måde forringer hovedkonklusionerne. Arbejdsvæsken er en flygtig gas (ikke eksisterende i naturen), som kan komprimeres til nul volumen, hvis molekyler ikke interagerer med hinanden. I naturen er der kun rigtige gasser, der har veldefinerede egenskaber, der er forskellige fra en ideel gas.
For at overveje modeller af arbejdsvæskens dynamik blev termodynamikkens love foreslået, som beskriver de vigtigste termodynamiske processer, såsom:
- isokorisk proces er en proces, der udføres uden at ændre volumen af arbejdsvæsken. Isokorisk procestilstand, v=const;
- isobarisk proces er en proces, der udføres uden at ændre trykket i arbejdsvæsken. Isobarisk procestilstand, P=konst;
- isotermisk (isotermisk) proces er en proces, der udføres, mens temperaturen holdes på et givet niveau. Isotermisk procestilstand, T=konst;
- adiabatisk proces (adiabatisk, som moderne varmeingeniører kalder det) er en proces, der udføres i rummet uden varmeudveksling med miljøet. Adiabatisk procestilstand, q=0;
- polytropisk proces - dette er den mest generaliserede proces, der beskriver alle ovenstående termodynamiske processer, såvel som alle de andre, der er mulige at udføre i en cylinder med et bevægeligt stempel.
Under oprettelsen af de første varmemotorer ledte de efter en cyklus, hvor du kan opnå den højeste effektivitet(effektivitet). Sadi Carnot, der udforskede helheden af termodynamiske processer, kom på et indfald til udviklingen af sin egen cyklus, som fik hans navn - Carnot-cyklussen. Den udfører sekventielt en isotermisk og derefter en adiabatisk kompressionsproces. Arbejdsvæsken efter at have udført disse processer har en reserve af intern energi, men cyklussen er endnu ikke afsluttet, så arbejdsvæsken udvider sig og udfører en isotermisk ekspansionsproces. For at fuldføre cyklussen og vende tilbage til de oprindelige parametre for arbejdsvæsken udføres en adiabatisk ekspansionsproces.
Carnot beviste, at effektiviteten i hans cyklus når et maksimum og kun afhænger af temperaturerne i de to isotermer. Jo højere forskellen mellem dem er, jo tilsvarende højere termisk effektivitet. Forsøg på at skabe en varmemotor i henhold til Carnot-cyklussen har ikke været succesfulde. Dette er en ideel cyklus, som ikke kan opfyldes. Men han beviste hovedprincippet i termodynamikkens anden lov om umuligheden af at opnå arbejde svarende til omkostningerne ved termisk energi. Der blev formuleret en række definitioner for termodynamikkens anden lov, på grundlag af hvilke Rudolf Clausius introducerede begrebet entropi. Hovedkonklusionen på hans forskning er, at entropien konstant stiger, hvilket fører til termisk "død".
Clausius' vigtigste bedrift var forståelsen af essensen af den adiabatiske proces, når den udføres, ændres entropien af arbejdsvæsken ikke. Derfor er den adiabatiske proces ifølge Clausius s=konst. Her er entropien, som giver et andet navn til den proces, der udføres uden tilførsel eller fjernelse af varme, den isentropiske proces. Videnskabsmanden ledte eftersådan en cyklus af en varmemotor, hvor der ikke ville være nogen stigning i entropi. Men det lykkedes ham desværre ikke. Derfor udledte han, at en varmemotor slet ikke kan skabes.
Men ikke alle forskere var så pessimistiske. De ledte efter rigtige cyklusser til varmemotorer. Som et resultat af deres søgning skabte Nikolaus August Otto sin egen cyklus af varmemotoren, som nu er implementeret i benzinmotorer. Her udføres den adiabatiske proces med komprimering af arbejdsvæsken og isokorisk varmeforsyning (forbrænding af brændstof ved et konstant volumen), hvorefter den adiabatiske ekspansion fremkommer (arbejde udføres af arbejdsvæsken i færd med at øge dens volumen) og isokorisk varmefjernelse. De første forbrændingsmotorer i Otto-cyklussen brugte brændbare gasser som brændstof. Langt senere blev karburatorerne opfundet, som begyndte at skabe benzin-luft-blandinger af luft med benzindampe og levere dem til motorcylinderen.
I Otto-cyklussen komprimeres den brændbare blanding, så dens kompression er relativt lille - den brændbare blanding har en tendens til at detonere (eksplodere, når kritiske tryk og temperaturer nås). Derfor er arbejdet under den adiabatiske kompressionsproces relativt lille. Et andet koncept introduceres her: kompressionsforholdet er forholdet mellem det samlede volumen og kompressionsvolumenet.
Søgen efter måder at øge brændstofenergieffektiviteten fortsatte. En stigning i effektiviteten blev set i en stigning i kompressionsforholdet. Rudolf Diesel udviklede sin egen cyklus, hvor varme tilføresved konstant tryk (i isobarisk proces). Hans cyklus dannede grundlaget for motorer, der brugte dieselbrændstof (det kaldes også dieselbrændstof). Dieselcyklussen komprimerer ikke den brændbare blanding, men luften. Derfor siges der at blive arbejdet i en adiabatisk proces. Temperaturen og trykket ved slutningen af kompressionen er høj, så brændstof sprøjtes ind gennem injektorerne. Det blandes med varm luft, danner en brændbar blanding. Det brænder ud, mens den indre energi i arbejdsvæsken stiger. Yderligere går udvidelsen af gassen langs adiabatikken, et arbejdsslag udføres.
Forsøget på at implementere Diesel-cyklussen i varmemotorer mislykkedes, så Gustav Trinkler skabte den kombinerede Trinkler-cyklus. Det bruges i nutidens dieselmotorer. I Trinkler-cyklussen tilføres varme langs isochoren og derefter langs isobaren. Først derefter udføres den adiabatiske proces med udvidelse af arbejdsvæsken.
I analogi med frem- og tilbagegående varmemotorer fungerer turbinemotorer også. Men i dem udføres processen med varmefjernelse efter afslutningen af den nyttige adiabatiske udvidelse af gassen langs isobaren. På fly med gasturbine- og turbopropmotorer forekommer den adiabatiske proces to gange: under kompression og ekspansion.
For at underbygge alle de grundlæggende begreber i den adiabatiske proces, blev der foreslået beregningsformler. En vigtig størrelse optræder her, kaldet den adiabatiske eksponent. Dens værdi for en diatomisk gas (ilt og nitrogen er de vigtigste diatomiske gasser i luften) er 1,4. For at beregneden adiabatiske eksponent, anvendes to mere interessante karakteristika, nemlig: arbejdsfluidets isobariske og isokoriske varmekapacitet. Deres forhold k=Cp/Cv er den adiabatiske eksponent.
Hvorfor bruges den adiabatiske proces i varmemotorers teoretiske cyklusser? Faktisk udføres polytropiske processer, men på grund af det faktum, at de sker med høj hastighed, er det sædvanligt at antage, at der ikke er nogen varmeudveksling med omgivelserne.
90 % af elektriciteten genereres af termiske kraftværker. De bruger vanddamp som arbejdsvæske. Det opnås ved at koge vand. For at øge dampens arbejdspotentiale overophedes den. Den overophedede damp tilføres derefter under højt tryk til en dampturbine. Den adiabatiske proces med dampudvidelse finder også sted her. Turbinen modtager rotation, den overføres til en elektrisk generator. Det genererer til gengæld elektricitet til forbrugerne. Dampturbiner fungerer på Rankine-cyklussen. Ideelt set er stigningen i effektivitet også forbundet med en stigning i vanddampens temperatur og tryk.
Som det kan ses af ovenstående, er den adiabatiske proces meget almindelig ved produktion af mekanisk og elektrisk energi.
