Om een warmtemotor te bouwen die werk kan doen door warmte te gebruiken, moet je bepaalde voorwaarden scheppen. Allereerst moet een warmtemotor in een cyclische modus werken, waarbij een reeks opeenvolgende thermodynamische processen een cyclus creëren. Als gevolg van de cyclus werkt het gas ingesloten in een cilinder met een beweegbare zuiger wel. Maar één cyclus is niet genoeg voor een periodiek werkende machine; hij moet een bepaalde tijd keer op keer cyclussen uitvoeren. Het totale werk dat gedurende een bepaalde tijd in werkelijkheid is uitgevoerd, gedeeld door de tijd, geeft een ander belangrijk concept: macht.
In het midden van de 19e eeuw werden de eerste verbrandingsmotoren gemaakt. Ze werkten wel, maar verbruikten een grote hoeveelheid warmte die werd verkregen bij de verbranding van brandstof. Het was toen dat theoretische natuurkundigen zichzelf de volgende vragen stelden: “Hoe werkt gas in een warmtemotor? Hoe krijg je maximale prestaties met minimaal brandstofverbruik?”
Om een analyse van gaswerk uit te voeren, was het noodzakelijk om een heel systeem van definities en concepten te introduceren. De totaliteit van alle definities creëerde een hele wetenschappelijke richting, die ontvingtitel: "Technische thermodynamica". In de thermodynamica zijn een aantal aannames gedaan die op geen enkele manier afbreuk doen aan de hoofdconclusies. De werkvloeistof is een vluchtig gas (dat in de natuur niet voorkomt), dat kan worden gecomprimeerd tot een volume nul, waarvan de moleculen geen interactie met elkaar hebben. In de natuur zijn er alleen echte gassen met goed gedefinieerde eigenschappen die verschillen van een ideaal gas.
Om modellen van de dynamiek van de werkvloeistof te overwegen, werden de wetten van de thermodynamica voorgesteld, die de belangrijkste thermodynamische processen beschrijven, zoals:
- isochoor proces is een proces dat wordt uitgevoerd zonder het volume van de werkvloeistof te veranderen. Isochoor procesvoorwaarde, v=const;
- isobaar proces is een proces dat wordt uitgevoerd zonder de druk in de werkvloeistof te veranderen. Isobare procesconditie, P=const;
- isotherm (isotherm) proces is een proces dat wordt uitgevoerd terwijl de temperatuur op een bepaald niveau wordt gehouden. Isotherme procesconditie, T=const;
- adiabatisch proces (adiabatisch, zoals moderne warmte-ingenieurs het noemen) is een proces dat in de ruimte wordt uitgevoerd zonder warmte-uitwisseling met de omgeving. Adiabatische procesconditie, q=0;
- polytropisch proces - dit is het meest algemene proces dat alle bovenstaande thermodynamische processen beschrijft, evenals alle andere die mogelijk zijn om uit te voeren in een cilinder met een beweegbare zuiger.
Tijdens de creatie van de eerste warmtemotoren waren ze op zoek naar een cyclus waarin je het hoogste rendement kunt halen(efficiëntie). Sadi Carnot, die de totaliteit van thermodynamische processen verkende, kwam in een opwelling tot de ontwikkeling van zijn eigen cyclus, die zijn naam kreeg - de Carnot-cyclus. Het voert achtereenvolgens een isotherm en vervolgens een adiabatisch compressieproces uit. De werkvloeistof heeft na het uitvoeren van deze processen een reserve aan interne energie, maar de cyclus is nog niet voltooid, dus de werkvloeistof zet uit en voert een isotherm expansieproces uit. Om de cyclus te voltooien en terug te keren naar de oorspronkelijke parameters van de werkvloeistof, wordt een adiabatisch expansieproces uitgevoerd.
Carnot bewees dat de efficiëntie in zijn cyclus een maximum bereikt en alleen afhangt van de temperaturen van de twee isothermen. Hoe groter het verschil tussen beide, hoe hoger het thermisch rendement. Pogingen om een warmtemotor te maken volgens de Carnot-cyclus zijn niet succesvol geweest. Dit is een ideale cyclus die niet kan worden vervuld. Maar hij bewees het belangrijkste principe van de tweede wet van de thermodynamica over de onmogelijkheid om werk te verkrijgen dat gelijk is aan de kosten van thermische energie. Voor de tweede wet van de thermodynamica is een aantal definities geformuleerd, op basis waarvan Rudolf Clausius het begrip entropie heeft geïntroduceerd. De belangrijkste conclusie van zijn onderzoek is dat entropie voortdurend toeneemt, wat leidt tot thermische "dood".
De belangrijkste prestatie van Clausius was het begrip van de essentie van het adiabatische proces, wanneer het wordt uitgevoerd, verandert de entropie van de werkvloeistof niet. Daarom is volgens Clausius het adiabatische proces s=const. Hier is s de entropie, die een andere naam geeft aan het proces dat wordt uitgevoerd zonder de toevoer of verwijdering van warmte, het isentropische proces. De wetenschapper was op zoek naarzo'n cyclus van een warmtemotor waar er geen toename in entropie zou zijn. Maar dat is hem helaas niet gelukt. Daarom concludeerde hij dat er helemaal geen warmtemotor kan worden gemaakt.
Maar niet alle onderzoekers waren zo pessimistisch. Ze waren op zoek naar echte cycli voor warmtemotoren. Als resultaat van hun zoektocht creëerde Nikolaus August Otto zijn eigen cyclus van de warmtemotor, die nu wordt geïmplementeerd in benzinemotoren. Hier wordt het adiabatische proces van compressie van de werkvloeistof en isochore warmtetoevoer (verbranding van brandstof met een constant volume) uitgevoerd, waarna de adiabatische expansie verschijnt (werk wordt gedaan door de werkvloeistof tijdens het proces van het vergroten van het volume) en isochoor warmte afvoer. De eerste verbrandingsmotoren van de Otto-cyclus gebruikten brandbare gassen als brandstof. Veel later werden carburateurs uitgevonden, die begonnen benzine-luchtmengsels van lucht met benzinedampen te creëren en deze aan de motorcilinder te leveren.
In de Otto-cyclus wordt het brandbare mengsel gecomprimeerd, dus de compressie is relatief klein - het brandbare mengsel heeft de neiging te ontploffen (exploderen wanneer kritische drukken en temperaturen worden bereikt). Daarom is het werk tijdens het adiabatische compressieproces relatief klein. Hier wordt een ander concept geïntroduceerd: de compressieverhouding is de verhouding van het totale volume tot het compressievolume.
De zoektocht naar manieren om de energie-efficiëntie van brandstof te verhogen, ging door. Een verhoging van de efficiëntie werd gezien in een verhoging van de compressieverhouding. Rudolf Diesel ontwikkelde zijn eigen cyclus waarin warmte wordt toegevoerdbij constante druk (in isobaar proces). Zijn cyclus vormde de basis van motoren die dieselbrandstof gebruiken (het wordt ook wel dieselbrandstof genoemd). De dieselcyclus comprimeert niet het brandbare mengsel, maar lucht. Daarom wordt gezegd dat er in een adiabatisch proces wordt gewerkt. De temperatuur en druk aan het einde van de compressie zijn hoog, dus brandstof wordt via de injectoren geïnjecteerd. Het vermengt zich met hete lucht en vormt een brandbaar mengsel. Het brandt op, terwijl de interne energie van de werkvloeistof toeneemt. Verder gaat de uitzetting van het gas langs de adiabatische, er wordt een werkslag gemaakt.
De poging om de dieselcyclus in verbrandingsmotoren te implementeren mislukte, dus Gustav Trinkler creëerde de gecombineerde Trinkler-cyclus. Het wordt gebruikt in de huidige dieselmotoren. In de Trinkler-cyclus wordt warmte toegevoerd langs de isochoor en vervolgens langs de isobar. Pas daarna wordt het adiabatische proces van expansie van de werkvloeistof uitgevoerd.
Naar analogie met zuigermotoren werken turbinemotoren ook. Maar daarin wordt het proces van warmteafvoer na voltooiing van de nuttige adiabatische expansie van het gas langs de isobar uitgevoerd. Op vliegtuigen met gasturbine- en turbopropmotoren vindt het adiabatische proces twee keer plaats: tijdens compressie en expansie.
Om alle fundamentele concepten van het adiabatische proces te onderbouwen, werden rekenformules voorgesteld. Hier verschijnt een belangrijke grootheid, de adiabatische exponent. De waarde voor een diatomisch gas (zuurstof en stikstof zijn de belangrijkste diatomische gassen die in de lucht aanwezig zijn) is 1,4.de adiabatische exponent, worden nog twee interessante kenmerken gebruikt, namelijk: de isobare en isochore warmtecapaciteiten van de werkvloeistof. Hun verhouding k=Cp/Cv is de adiabatische exponent.
Waarom wordt het adiabatische proces gebruikt in de theoretische cycli van warmtemotoren? In feite worden polytrope processen uitgevoerd, maar vanwege het feit dat ze met een hoge snelheid plaatsvinden, is het gebruikelijk om aan te nemen dat er geen warmte-uitwisseling met de omgeving is.
90% van de elektriciteit wordt opgewekt door thermische centrales. Ze gebruiken waterdamp als werkvloeistof. Het wordt verkregen door kokend water. Om het werkpotentieel van stoom te vergroten, wordt het oververhit. De oververhitte stoom wordt vervolgens onder hoge druk naar een stoomturbine gevoerd. Hier vindt ook het adiabatische proces van stoomexpansie plaats. De turbine krijgt rotatie, deze wordt overgebracht naar een elektrische generator. Dat wekt op zijn beurt weer elektriciteit op voor de consument. Stoomturbines werken volgens de Rankine-cyclus. Idealiter gaat de verhoging van de efficiëntie ook gepaard met een verhoging van de temperatuur en druk van de waterdamp.
Zoals uit het bovenstaande blijkt, is het adiabatische proces heel gebruikelijk bij de productie van mechanische en elektrische energie.
