כדי לבנות מנוע חום שיכול לעשות עבודה באמצעות חום, עליך ליצור תנאים מסוימים. קודם כל, מנוע חום חייב לפעול במצב מחזורי, שבו סדרה של תהליכים תרמודינמיים עוקבים יוצרים מחזור. כתוצאה מהמחזור, הגז הכלוא בצילינדר עם בוכנה ניתנת להזזה אכן עובד. אבל מחזור אחד אינו מספיק למכונה הפועלת מעת לעת; היא חייבת לבצע מחזורים שוב ושוב למשך זמן מסוים. סך העבודה שבוצעה בזמן נתון במציאות, מחולק בזמן, נותן מושג חשוב נוסף - כוח.
באמצע המאה ה-19 נוצרו מנועי החום הראשונים. הם אמנם עבדו, אבל הוציאו כמות גדולה של חום שהתקבל משריפת דלק. זה היה אז שפיזיקאים תיאורטיים שאלו את עצמם שאלות: "כיצד עובד גז במנוע חום? איך להשיג ביצועים מקסימליים עם מינימום שימוש בדלק?"
כדי לבצע ניתוח של עבודות גז, היה צורך להציג מערכת שלמה של הגדרות ומושגים. מכלול כל ההגדרות יצר כיוון מדעי שלם, שקיבלכותרת: "תרמודינמיקה טכנית". בתרמודינמיקה הונחו מספר הנחות שאינן גורעות בשום אופן מהמסקנות העיקריות. נוזל העבודה הוא גז חולף (לא קיים בטבע), שניתן לדחוס לנפח אפס, שהמולקולות שלו אינן מקיימות אינטראקציה זו עם זו. בטבע, יש רק גזים אמיתיים בעלי תכונות מוגדרות היטב השונות מגז אידיאלי.
כדי לשקול מודלים של הדינמיקה של נוזל העבודה, הוצעו חוקי התרמודינמיקה, המתארים את התהליכים התרמודינמיים העיקריים, כגון:
- תהליך isochor הוא תהליך שמתבצע מבלי לשנות את נפח נוזל העבודה. מצב תהליך איזוחורי, v=const;
- תהליך איזוברי הוא תהליך שמתבצע ללא שינוי הלחץ בנוזל העבודה. מצב תהליך איזוברי, P=const;
- תהליך איזותרמי (איזותרמי) הוא תהליך שמתבצע תוך שמירה על הטמפרטורה ברמה נתונה. מצב תהליך איזותרמי, T=const;
- תהליך אדיאבטי (אדיאבטי, כפי שמכנים אותו מהנדסי חום מודרניים) הוא תהליך המבוצע בחלל ללא חילופי חום עם הסביבה. מצב תהליך אדיאבטי, q=0;
- תהליך פוליטרופי - זהו התהליך המוכלל ביותר שמתאר את כל התהליכים התרמודינמיים לעיל, כמו גם את כל התהליכים האחרים האפשריים לבצע בצילינדר עם בוכנה ניתנת להזזה.
במהלך יצירת מנועי החום הראשונים, הם חיפשו מחזור שבו אתה יכול לקבל את היעילות הגבוהה ביותר(יְעִילוּת). סאדי קרנו, שחקר את מכלול התהליכים התרמודינמיים, הגיע בגחמה לפיתוח מחזור משלו, שקיבל את שמו - מחזור קרנו. הוא מבצע ברצף תהליך דחיסה איזותרמי ולאחר מכן תהליך דחיסה אדיאבטית. לנוזל העבודה לאחר ביצוע תהליכים אלו יש רזרבה של אנרגיה פנימית, אך המחזור טרם הושלם, ולכן נוזל העבודה מתרחב ומבצע תהליך התפשטות איזותרמית. כדי להשלים את המחזור ולחזור לפרמטרים המקוריים של נוזל העבודה, מתבצע תהליך התפשטות אדיאבטית.
קרנו הוכיח שהיעילות במחזור שלו מגיעה למקסימום ותלויה רק בטמפרטורות של שני האיזותרמים. ככל שההבדל ביניהם גבוה יותר, כך היעילות התרמית גבוהה יותר בהתאם. ניסיונות ליצור מנוע חום לפי מחזור קרנו לא צלחו. זהו מחזור אידיאלי שלא ניתן להגשים. אבל הוא הוכיח את העיקרון העיקרי של החוק השני של התרמודינמיקה על חוסר האפשרות להשיג עבודה שווה לעלות האנרגיה התרמית. לחוק השני של התרמודינמיקה גובשו מספר הגדרות, שעל בסיסן הציג רודולף קלאוזיוס את מושג האנטרופיה. המסקנה העיקרית של המחקר שלו היא שהאנטרופיה גדלה כל הזמן, מה שמוביל ל"מוות" תרמי.
ההישג החשוב ביותר של קלאוזיוס היה הבנת המהות של התהליך האדיאבטי, כאשר הוא מבוצע, האנטרופיה של נוזל העבודה אינה משתנה. לכן, לפי קלאוזיוס, התהליך האדיאבטי הוא s=const. הנה האנטרופיה, שנותנת שם נוסף לתהליך המבוצע ללא אספקה או סילוק של חום, התהליך האיזנטרופי. המדען חיפשמחזור כזה של מנוע חום שבו לא תהיה עלייה באנטרופיה. אבל, למרבה הצער, הוא לא הצליח לעשות זאת. לכן, הוא הסיק שלא ניתן ליצור מנוע חום כלל.
אבל לא כל החוקרים היו כל כך פסימיים. הם חיפשו מחזורים אמיתיים למנועי חום. כתוצאה מהחיפוש שלהם, ניקולאוס אוגוסט אוטו יצר מחזור משלו של מנוע החום, אשר מיושם כעת במנועי בנזין. כאן מתבצע התהליך האדיאבטי של דחיסה של נוזל העבודה ואספקת חום איזוכורית (שריפת דלק בנפח קבוע), ואז מופיעה ההתפשטות האדיאבטית (העבודה נעשית על ידי נוזל העבודה בתהליך הגדלת נפחו) ואיזוכורית. הסרת חום. מנועי הבעירה הפנימית הראשונים של מחזור אוטו השתמשו בגזים דליקים כדלק. הרבה יותר מאוחר הומצאו קרבורטורים, שהחלו ליצור תערובות בנזין-אוויר של אוויר עם אדי בנזין ולספק אותם לצילינדר המנוע.
במחזור אוטו, התערובת הדליקה נדחסת, ולכן הדחיסה שלה קטנה יחסית - התערובת הדליקה נוטה להתפוצץ (להתפוצץ כאשר מגיעים ללחצים וטמפרטורות קריטיים). לכן, העבודה במהלך תהליך הדחיסה האדיאבטית קטנה יחסית. מושג נוסף מוצג כאן: יחס הדחיסה הוא היחס בין הנפח הכולל לנפח הדחיסה.
החיפוש אחר דרכים להגברת יעילות האנרגיה בדלק נמשך. עלייה ביעילות נראתה בעלייה ביחס הדחיסה. רודולף דיזל פיתח מחזור משלו שבו מסופק חוםבלחץ קבוע (בתהליך איזובארי). המחזור שלו היווה את הבסיס למנועים המשתמשים בסולר (זה נקרא גם סולר). מחזור הדיזל אינו דוחס את התערובת הדליקה, אלא אוויר. לכן, אומרים שהעבודה נעשית בתהליך אדיאבטי. הטמפרטורה והלחץ בתום הדחיסה גבוהים, ולכן הדלק מוזרק דרך המזרקים. זה מתערבב עם אוויר חם, יוצר תערובת בעירה. זה נשרף, בעוד האנרגיה הפנימית של נוזל העבודה עולה. יתר על כן, התפשטות הגז עוברת לאורך האדיאבטי, נעשית מהלך עבודה.
הניסיון ליישם את מחזור הדיזל במנועי חום נכשל, אז גוסטב טרינקלר יצר את מחזור הטרינקלר המשולב. הוא משמש במנועי דיזל של ימינו. במחזור Trinkler, חום מסופק לאורך האיזוכור ולאחר מכן לאורך האיזובאר. רק לאחר מכן מתבצע התהליך האדיאבטי של התפשטות נוזל העבודה.
באנלוגיה למנועי חום חוזרים, גם מנועי טורבינה עובדים. אבל בהם, תהליך הסרת החום לאחר השלמת ההתרחבות האדיאבטית השימושית של הגז מתבצע לאורך האיזובאר. במטוסים עם מנועי טורבינת גז ומנועי טורבו, התהליך האדיאבטי מתרחש פעמיים: במהלך דחיסה והתרחבות.
כדי לבסס את כל המושגים הבסיסיים של התהליך האדיאבטי, הוצעו נוסחאות חישוב. מופיעה כאן כמות חשובה, הנקראת המעריך האדיאבטי. ערכו עבור גז דו-אטומי (חמצן וחנקן הם הגזים הדו-אטומיים העיקריים הקיימים באוויר) הוא 1.4. לחישובהמעריך האדיאבטי, משתמשים בשני מאפיינים מעניינים נוספים, כלומר: יכולות החום האיזובריות והאיזוחוריות של נוזל העבודה. היחס שלהם k=Cp/Cv הוא המעריך האדיאבטי.
מדוע נעשה שימוש בתהליך האדיאבטי במחזורים התיאורטיים של מנועי חום? למעשה מבוצעים תהליכים פוליטרופיים, אך בשל העובדה שהם מתרחשים במהירות גבוהה, נהוג להניח שאין חילופי חום עם הסביבה.
90% מהחשמל מופק על ידי תחנות כוח תרמיות. הם משתמשים באדי מים כנוזל העבודה. זה מתקבל על ידי הרתחת מים. כדי להגדיל את פוטנציאל העבודה של קיטור, הוא מחומם. לאחר מכן הקיטור המחומם מוזן בלחץ גבוה לטורבינת קיטור. גם התהליך האדיאבטי של התרחבות הקיטור מתרחש כאן. הטורבינה מקבלת סיבוב, היא מועברת לגנרטור חשמלי. זה, בתורו, מייצר חשמל לצרכנים. טורבינות קיטור פועלות במחזור Rankine. באופן אידיאלי, העלייה ביעילות קשורה גם לעלייה בטמפרטורה ובלחץ של אדי המים.
כפי שניתן לראות מהאמור לעיל, התהליך האדיאבטי נפוץ מאוד בייצור אנרגיה מכנית וחשמלית.
