برای ساخت موتور حرارتی که بتواند با استفاده از گرما کار کند، باید شرایط خاصی را ایجاد کنید. اول از همه، یک موتور حرارتی باید در یک حالت چرخه ای کار کند، جایی که یک سری فرآیندهای ترمودینامیکی متوالی یک چرخه را ایجاد می کند. در نتیجه چرخه، گاز محصور در یک سیلندر با یک پیستون متحرک کار می کند. اما یک چرخه برای ماشینی که به طور دوره ای کار می کند کافی نیست، باید چرخه ها را بارها و بارها برای یک زمان معین انجام دهد. کل کار انجام شده در یک زمان معین در واقعیت، تقسیم بر زمان، مفهوم مهم دیگری را به دست می دهد - قدرت.
در اواسط قرن نوزدهم، اولین موتورهای حرارتی ساخته شدند. آنها کار کردند، اما مقدار زیادی گرمای حاصل از احتراق سوخت را مصرف کردند. در آن زمان بود که فیزیکدانان نظری از خود سؤالاتی پرسیدند: «چگونه گاز در یک موتور حرارتی کار می کند؟ چگونه با حداقل مصرف سوخت، حداکثر عملکرد را به دست آوریم؟»
برای انجام تحلیل کار گاز، لازم بود یک سیستم کامل از تعاریف و مفاهیم معرفی شود. مجموع همه تعاریف یک جهت علمی کامل ایجاد کرد که دریافت کردعنوان: "ترمودینامیک فنی". در ترمودینامیک، چندین فرض مطرح شده است که به هیچ وجه از نتیجه گیری اصلی کم نمی کند. سیال عامل یک گاز زودگذر است (در طبیعت وجود ندارد) که می تواند تا حجم صفر فشرده شود، مولکول های آن با یکدیگر برهمکنش ندارند. در طبیعت، تنها گازهای واقعی وجود دارند که خواص کاملاً مشخصی دارند که با گاز ایده آل متفاوت است.
برای در نظر گرفتن مدل های دینامیک سیال عامل، قوانین ترمودینامیک پیشنهاد شد که فرآیندهای ترمودینامیکی اصلی را توصیف می کند، مانند:
فرآیند ایزوکوریک
فرآیند
در طول ایجاد اولین موتورهای حرارتی، آنها به دنبال چرخه ای بودند که در آن شما بتوانید بالاترین بازده را داشته باشید.(بهره وری). سعدی کارنو، با کاوش در کلیت فرآیندهای ترمودینامیکی، به یک هوس به توسعه چرخه خود رسید که نام خود را دریافت کرد - چرخه کارنو. به طور متوالی یک فرآیند همدما و سپس یک فرآیند فشرده سازی آدیاباتیک را انجام می دهد. سیال عامل پس از انجام این فرآیندها دارای ذخیره انرژی داخلی است، اما چرخه هنوز کامل نشده است، بنابراین سیال عامل منبسط شده و فرآیند انبساط همدما را انجام می دهد. برای تکمیل چرخه و بازگشت به پارامترهای اولیه سیال عامل، فرآیند انبساط آدیاباتیک انجام می شود.
کارنو ثابت کرد که بازده در چرخه او به حداکثر می رسد و فقط به دمای دو ایزوترم بستگی دارد. هر چه اختلاف بین آنها بیشتر باشد، به همان نسبت بازده حرارتی بالاتری دارد. تلاش برای ایجاد یک موتور حرارتی مطابق با چرخه کارنو موفقیت آمیز نبوده است. این یک چرخه ایده آل است که نمی توان انجام داد. اما او اصل اصلی قانون دوم ترمودینامیک را در مورد عدم امکان دستیابی به کار برابر با هزینه انرژی حرارتی ثابت کرد. تعدادی از تعاریف برای قانون دوم ترمودینامیک ارائه شد که رودولف کلازیوس بر اساس آن مفهوم آنتروپی را معرفی کرد. نتیجه اصلی تحقیق او این است که آنتروپی دائما در حال افزایش است که منجر به "مرگ" حرارتی می شود.
مهمترین دستاورد کلازیوس درک ماهیت فرآیند آدیاباتیک بود که وقتی انجام می شود آنتروپی سیال عامل تغییر نمی کند. بنابراین، طبق نظر کلازیوس، فرآیند آدیاباتیک s=const است. در اینجا s آنتروپی است که نام دیگری به فرآیند انجام شده بدون تامین یا حذف گرما می دهد، فرآیند ایزنتروپیک. دانشمند به دنبال آن بودچنین چرخه ای از یک موتور حرارتی که در آن هیچ افزایشی در آنتروپی وجود نخواهد داشت. اما متاسفانه نتوانست این کار را انجام دهد. بنابراین، او نتیجه گرفت که یک موتور حرارتی به هیچ وجه نمی تواند ایجاد شود.
اما همه محققان اینقدر بدبین نبودند. آنها به دنبال چرخه های واقعی برای موتورهای حرارتی بودند. در نتیجه جستجوی آنها، نیکولاس آگوست اتو چرخه موتور حرارتی خود را ایجاد کرد که اکنون در موتورهای بنزینی اجرا می شود. در اینجا فرآیند آدیاباتیک فشرده سازی سیال عامل و تامین حرارت ایزوکوریک (احتراق سوخت با حجم ثابت) انجام می شود، سپس انبساط آدیاباتیک ظاهر می شود (کار توسط سیال عامل در فرآیند افزایش حجم آن انجام می شود) و ایزوکوریک. حذف حرارت اولین موتورهای احتراق داخلی چرخه اتو از گازهای قابل احتراق به عنوان سوخت استفاده می کردند. خیلی بعد کاربراتورها اختراع شدند که شروع به ایجاد مخلوط بنزین و هوا از هوا با بخارات بنزین و تامین آنها به سیلندر موتور کردند.
در چرخه اتو، مخلوط قابل احتراق فشرده می شود، بنابراین فشرده سازی آن نسبتاً کم است - مخلوط قابل احتراق تمایل به انفجار دارد (وقتی به فشارها و دماهای بحرانی می رسد منفجر می شود). بنابراین، کار در طول فرآیند فشرده سازی آدیاباتیک نسبتاً کم است. مفهوم دیگری در اینجا معرفی می شود: نسبت فشرده سازی نسبت حجم کل به حجم فشرده سازی است.
جستجو برای راه هایی برای افزایش بهره وری انرژی سوخت ادامه یافت. افزایش راندمان در افزایش نسبت تراکم مشاهده شد. رودولف دیزل چرخه خود را ایجاد کرد که در آن گرما تامین می شوددر فشار ثابت (در فرآیند ایزوباریک). چرخه او اساس موتورهایی را تشکیل داد که از سوخت دیزل استفاده می کردند (به آن سوخت دیزل نیز می گویند). چرخه دیزل مخلوط قابل احتراق را فشرده نمی کند، بلکه هوا را فشرده می کند. بنابراین گفته می شود که کار در یک فرآیند آدیاباتیک انجام می شود. دما و فشار در انتهای تراکم زیاد است، بنابراین سوخت از طریق انژکتورها تزریق می شود. با هوای گرم مخلوط می شود، مخلوطی قابل احتراق را تشکیل می دهد. می سوزد، در حالی که انرژی داخلی سیال کار افزایش می یابد. بعلاوه، انبساط گاز در امتداد آدیاباتیک پیش می رود، یک سکته مغزی ایجاد می شود.
تلاش برای پیاده سازی چرخه دیزل در موتورهای حرارتی شکست خورد، بنابراین گوستاو ترینکلر چرخه ترکیبی Trinkler را ایجاد کرد. در موتورهای دیزلی امروزی استفاده می شود. در چرخه Trinkler گرما در امتداد ایزوکور و سپس در امتداد ایزوبار تامین می شود. فقط پس از آن، فرآیند آدیاباتیک انبساط سیال عامل انجام می شود.
بر اساس قیاس با موتورهای حرارتی رفت و برگشتی، موتورهای توربین نیز کار می کنند. اما در آنها، فرآیند حذف گرما پس از اتمام انبساط آدیاباتیک مفید گاز در امتداد ایزوبار انجام می شود. در هواپیماهای دارای توربین گاز و موتورهای توربوپراپ، فرآیند آدیاباتیک دو بار اتفاق می‌افتد: در حین فشرده‌سازی و انبساط.
برای اثبات تمام مفاهیم اساسی فرآیند آدیاباتیک، فرمول های محاسباتی پیشنهاد شد. یک کمیت مهم در اینجا ظاهر می شود که توان آدیاباتیک نامیده می شود. مقدار آن برای یک گاز دو اتمی (اکسیژن و نیتروژن گازهای دو اتمی اصلی موجود در هوا هستند) 1.4 است.توان آدیاباتیک، دو ویژگی جالب دیگر استفاده می شود، یعنی: ظرفیت حرارتی ایزوباریک و ایزوکوریک سیال کار. نسبت k=Cp/Cv آنها توان آدیاباتیک است.
چرا فرآیند آدیاباتیک در چرخه های نظری موتورهای حرارتی استفاده می شود؟ در واقع فرآیندهای پلی تروپیک انجام می شوند، اما به دلیل اینکه با سرعت زیاد اتفاق می افتند، معمولاً فرض بر این است که هیچ تبادل حرارتی با محیط وجود ندارد.
90 درصد برق توسط نیروگاه های حرارتی تولید می شود. آنها از بخار آب به عنوان سیال کار استفاده می کنند. با جوشاندن آب به دست می آید. برای افزایش پتانسیل کاری بخار، بخار فوق گرم می شود. بخار فوق گرم سپس با فشار بالا به یک توربین بخار تغذیه می شود. فرآیند آدیاباتیک انبساط بخار نیز در اینجا انجام می شود. توربین چرخش را دریافت می کند، به یک ژنراتور الکتریکی منتقل می شود. که به نوبه خود، برق را برای مصرف کنندگان تولید می کند. توربین های بخار بر اساس چرخه رانکین کار می کنند. در حالت ایده آل، افزایش راندمان با افزایش دما و فشار بخار آب نیز همراه است.
همانطور که از مطالب بالا مشاهده می شود، فرآیند آدیاباتیک در تولید انرژی مکانیکی و الکتریکی بسیار رایج است.
