Soojusmasina ehitamiseks, mis suudab soojust kasutades tööd teha, peate looma teatud tingimused. Esiteks peab soojusmasin töötama tsüklilises režiimis, kus järjestikuste termodünaamiliste protsesside jada loob tsükli. Tsükli tulemusena töötab liigutatava kolviga silindrisse suletud gaas. Kuid perioodiliselt töötava masina jaoks ei piisa ühest tsüklist, see peab teatud aja jooksul tsükleid tegema ikka ja jälle. Tegelikkuses antud aja jooksul tehtud kogutöö ajaga jagatuna annab veel ühe olulise mõiste – võimsuse.
19. sajandi keskel loodi esimesed soojusmasinad. Nad küll töötasid, kuid kulutasid suure hulga kütuse põlemisel saadud soojust. Just siis esitasid teoreetilised füüsikud endale küsimused: “Kuidas töötab gaas soojusmasinas? Kuidas saavutada maksimaalne jõudlus minimaalse kütusekuluga?”
Gaasitööde analüüsi tegemiseks oli vaja kasutusele võtta terve definitsioonide ja mõistete süsteem. Kõikide määratluste kogum lõi terve teadusliku suuna, mis saipealkiri: "Tehniline termodünaamika". Termodünaamikas on tehtud mitmeid eeldusi, mis ei muuda kuidagi peamisi järeldusi. Töövedelik on efemeerne gaas (looduses ei eksisteeri), mida saab kokku suruda nullmahuni, mille molekulid ei interakteeru omavahel. Looduses on ainult tõelised gaasid, millel on täpselt määratletud omadused, mis erinevad ideaalsest gaasist.
Töövedeliku dünaamika mudelite kaalumiseks pakuti välja termodünaamika seadused, mis kirjeldavad peamisi termodünaamilisi protsesse, näiteks:
- isohooriline protsess on protsess, mis viiakse läbi ilma töövedeliku mahtu muutmata. Isohoorse protsessi tingimus, v=const;
- isobaarne protsess on protsess, mis viiakse läbi ilma töövedeliku rõhku muutmata. Isobaarse protsessi tingimus, P=const;
- isotermiline (isotermiline) protsess on protsess, mis viiakse läbi, säilitades samal ajal temperatuuri etteantud tasemel. Isotermilise protsessi tingimus, T=const;
- adiabaatiline protsess (adiabaatiline, nagu kaasaegsed soojusinsenerid seda kutsuvad) on protsess, mida teostatakse ruumis ilma soojusvahetuseta keskkonnaga. Adiabaatilise protsessi tingimus, q=0;
- polütroopne protsess – see on kõige üldistatum protsess, mis kirjeldab kõiki ül altoodud termodünaamilisi protsesse, aga ka kõiki teisi, mida on võimalik teostada liikuva kolviga silindris.
Esimeste soojusmootorite loomise ajal otsisid nad tsüklit, mille abil saate saavutada suurima efektiivsuse(efektiivsus). Termodünaamiliste protsesside tervikut uuriv Sadi Carnot jõudis kapriisselt omaenda tsükli väljatöötamiseni, mis sai tema nime - Carnot' tsükkel. See teostab järjestikku isotermilise, seejärel adiabaatilise kokkusurumisprotsessi. Pärast nende protsesside läbiviimist on töövedelikul siseenergia reserv, kuid tsükkel pole veel lõppenud, mistõttu töövedelik paisub ja teostab isotermilise paisumise protsessi. Tsükli lõpetamiseks ja töövedeliku algsete parameetrite juurde naasmiseks viiakse läbi adiabaatiline paisumisprotsess.
Carnot tõestas, et tema tsükli efektiivsus saavutab maksimumi ja sõltub ainult kahe isotermi temperatuuridest. Mida suurem on nende erinevus, seda suurem on soojuslik efektiivsus. Katsed luua Carnot' tsükli järgi soojusmasin ei ole olnud edukad. See on ideaalne tsükkel, mida ei saa täita. Kuid ta tõestas termodünaamika teise seaduse peamist põhimõtet soojusenergia maksumusega võrdse töö tegemise võimatuse kohta. Termodünaamika teise seaduse jaoks sõnastati hulk definitsioone, mille põhjal Rudolf Clausius võttis kasutusele entroopia mõiste. Tema uurimistöö peamine järeldus on, et entroopia kasvab pidev alt, mis viib termilise "surmani".
Clausiuse olulisim saavutus oli adiabaatilise protsessi olemuse mõistmine, mille läbiviimisel töövedeliku entroopia ei muutu. Seetõttu on Clausiuse järgi adiabaatiline protsess s=const. Siin on entroopia, mis annab teise nimetuse protsessile, mis toimub ilma soojuse andmise või eemaldamiseta, isentroopiline protsess. Teadlane otsisselline soojusmasina tsükkel, kus entroopia ei suureneks. Kuid kahjuks ei suutnud ta seda teha. Seetõttu järeldas ta, et soojusmasinat ei saa üldse luua.
Kuid mitte kõik teadlased polnud nii pessimistlikud. Nad otsisid soojusmootoritele tõelisi tsükleid. Nende otsingute tulemusena lõi Nikolaus August Otto oma soojusmasina tsükli, mida nüüd kasutatakse bensiinimootorites. Siin viiakse läbi töövedeliku kokkusurumise adiabaatiline protsess ja isohooriline soojusvarustus (kütuse põlemine konstantsel mahul), seejärel ilmneb adiabaatiline paisumine (töövedelik teeb tööd selle mahu suurendamise protsessis) ja isohooriline. soojuse eemaldamine. Esimesed Otto tsükli sisepõlemismootorid kasutasid kütusena põlevaid gaase. Palju hiljem leiutati karburaatorid, mis hakkasid looma bensiini-õhu segusid õhust bensiiniaurudega ja juhtima neid mootori silindrisse.
Otto tsüklis pressitakse põlev segu kokku, mistõttu selle kokkusurumine on suhteliselt väike – põlevsegu kipub detoneerima (kriitilise rõhu ja temperatuuri saavutamisel plahvatama). Seetõttu on adiabaatilise kokkusurumise protsessi töö suhteliselt väike. Siin tutvustatakse veel ühte mõistet: tihendusaste on kogumahu ja tihendusmahu suhe.
Kütuse energiatõhususe suurendamise võimaluste otsimine jätkus. Tõhususe tõusu täheldati surveastme suurenemises. Rudolf Diesel töötas välja oma tsükli, milles soojust tarnitaksekonstantsel rõhul (isobaarses protsessis). Tema tsükkel oli diislikütust (seda nimetatakse ka diislikütuseks) kasutavatele mootoritele. Diisli tsükkel ei suru kokku põlevat segu, vaid õhku. Seetõttu öeldakse, et tööd tehakse adiabaatilises protsessis. Temperatuur ja rõhk kompressiooni lõpus on kõrged, mistõttu kütust pihustatakse pihustite kaudu. See seguneb kuuma õhuga, moodustab põleva segu. See põleb läbi, samal ajal kui töövedeliku siseenergia suureneb. Edasi toimub gaasi paisumine mööda adiabaatiat, tehakse töökäik.
Katse rakendada soojusmootorites diiseltsüklit ebaõnnestus, mistõttu Gustav Trinkler lõi kombineeritud Trinkleri tsükli. Seda kasutatakse tänapäeva diiselmootorites. Trinkleri tsüklis antakse soojust piki isohoori ja seejärel piki isobaari. Alles pärast seda viiakse läbi töövedeliku adiabaatiline paisumisprotsess.
Analoogiliselt kolbsoojusmootoritega töötavad ka turbiinmootorid. Kuid neis toimub soojuse eemaldamise protsess pärast gaasi kasuliku adiabaatilise paisumise lõpetamist piki isobaari. Gaasiturbiini ja turbopropellermootoriga lennukitel toimub adiabaatiline protsess kaks korda: kokkusurumise ja paisumise ajal.
Adiabaatilise protsessi kõigi põhimõistete põhjendamiseks pakuti välja arvutusvalemid. Siin ilmub oluline suurus, mida nimetatakse adiabaatiliseks eksponendiks. Selle väärtus kaheaatomilise gaasi jaoks (hapnik ja lämmastik on peamised õhus leiduvad kaheaatomilised gaasid) on 1,4. Arvutamiseksadiabaatilist eksponenti kasutatakse veel kahte huvitavat tunnust, nimelt: töövedeliku isobaarilist ja isohoorilist soojusmahtuvust. Nende suhe k=Cp/Cv on adiabaatiline astendaja.
Miks kasutatakse soojusmasinate teoreetilistes tsüklites adiabaatilist protsessi? Tegelikult tehakse polütroopseid protsesse, kuid kuna need toimuvad suurel kiirusel, siis on tavaks eeldada, et soojusvahetust keskkonnaga ei toimu.
90% elektrist toodetakse soojuselektrijaamades. Töövedelikuna kasutavad nad veeauru. See saadakse vee keetmisel. Auru tööpotentsiaali suurendamiseks kuumutatakse seda üle. Seejärel juhitakse ülekuumutatud aur kõrge rõhu all auruturbiini. Siin toimub ka adiabaatiline aurupaisumise protsess. Turbiin saab pöörlemise, see kantakse üle elektrigeneraatorile. See omakorda toodab elektrit tarbijatele. Auruturbiinid töötavad Rankine tsüklil. Ideaalis seostatakse efektiivsuse suurenemist ka veeauru temperatuuri ja rõhu tõusuga.
Nagu ül altoodust näha, on adiabaatiline protsess mehaanilise ja elektrienergia tootmisel väga levinud.
