Norėdami sukurti šilumos variklį, kuris gali dirbti naudojant šilumą, turite sudaryti tam tikras sąlygas. Visų pirma, šilumos variklis turi veikti cikliniu režimu, kai nuoseklūs termodinaminiai procesai sukuria ciklą. Ciklo metu dujos, uždarytos į cilindrą su judančiu stūmokliu, veikia. Tačiau periodiškai veikiančiai mašinai vieno ciklo neužtenka, ji turi atlikti ciklus vėl ir vėl tam tikrą laiką. Bendras per tam tikrą laiką realybėje atliktas darbas, padalintas iš laiko, suteikia dar vieną svarbią sąvoką – galią.
XIX amžiaus viduryje buvo sukurti pirmieji šiluminiai varikliai. Jie dirbo, bet išeikvodavo daug šilumos, gautos deginant kurą. Būtent tada teoriniai fizikai uždavė sau klausimus: „Kaip šiluminiame variklyje veikia dujos? Kaip pasiekti maksimalų našumą naudojant minimalų kuro kiekį?“
Norint atlikti dujų darbų analizę, reikėjo įvesti visą apibrėžimų ir sąvokų sistemą. Visų apibrėžimų visuma sukūrė visą mokslinę kryptį, kuri gavopavadinimas: „Techninė termodinamika“. Termodinamikoje buvo padaryta nemažai prielaidų, kurios niekaip nepaneigia pagrindinių išvadų. Darbinis skystis yra trumpalaikės dujos (gamtoje neegzistuojančios), kurios gali būti suspaustos iki nulinio tūrio, kurių molekulės nesąveikauja viena su kita. Gamtoje yra tik tikros dujos, turinčios aiškiai apibrėžtas savybes, kurios skiriasi nuo idealių dujų.
Norint apsvarstyti darbinio skysčio dinamikos modelius, buvo pasiūlyti termodinamikos dėsniai, apibūdinantys pagrindinius termodinaminius procesus, tokius kaip:
- izochorinis procesas – tai procesas, kuris atliekamas nekeičiant darbinio skysčio tūrio. Izochorinė proceso sąlyga, v=const;
- izobarinis procesas – tai procesas, kuris atliekamas nekeičiant slėgio darbiniame skystyje. Izobarinė proceso sąlyga, P=const;
- izoterminis (izoterminis) procesas yra procesas, kuris atliekamas palaikant tam tikro lygio temperatūrą. Izoterminio proceso sąlyga, T=const;
- adiabatinis procesas (adiabatinis, kaip vadina šiuolaikiniai šilumos inžinieriai) – tai procesas, atliekamas erdvėje be šilumos mainų su aplinka. Adiabatinio proceso sąlyga, q=0;
- politropinis procesas – tai labiausiai apibendrintas procesas, apibūdinantis visus aukščiau išvardintus termodinaminius procesus, taip pat visus kitus, kuriuos galima atlikti cilindre su judančiu stūmokliu.
Kuriant pirmuosius šiluminius variklius, jie ieškojo ciklo, kurio metu galite pasiekti didžiausią efektyvumą(efektyvumas). Sadi Carnot, tyrinėdamas termodinaminių procesų visumą, pagal užgaidą pradėjo kurti savo ciklą, kuris gavo savo pavadinimą - Carnot ciklas. Jis nuosekliai atlieka izoterminį, tada adiabatinį suspaudimo procesą. Darbinis skystis atlikus šiuos procesus turi vidinės energijos rezervą, tačiau ciklas dar nebaigtas, todėl darbinis skystis plečiasi ir atlieka izoterminio plėtimosi procesą. Norint užbaigti ciklą ir grįžti prie pradinių darbinio skysčio parametrų, atliekamas adiabatinis plėtimosi procesas.
Carnot įrodė, kad jo ciklo efektyvumas pasiekia maksimumą ir priklauso tik nuo dviejų izotermų temperatūrų. Kuo didesnis skirtumas tarp jų, tuo atitinkamai didesnis šiluminis efektyvumas. Bandymai sukurti šilumos variklį pagal Carnot ciklą nebuvo sėkmingi. Tai idealus ciklas, kurio neįmanoma įvykdyti. Tačiau jis įrodė pagrindinį antrojo termodinamikos dėsnio principą apie tai, kad neįmanoma gauti darbo, lygaus šiluminės energijos kainai. Antrajam termodinamikos dėsniui buvo suformuluota nemažai apibrėžimų, kuriais remdamasis Rudolfas Clausius pristatė entropijos sąvoką. Pagrindinė jo tyrimo išvada yra ta, kad entropija nuolat didėja, o tai sukelia terminę „mirtį“.
Svarbiausias Clausiaus pasiekimas buvo adiabatinio proceso esmės supratimas, jį atliekant, darbinio skysčio entropija nekinta. Todėl, anot Clausiaus, adiabatinis procesas yra s=const. Čia yra entropija, kuri suteikia kitą pavadinimą procesui, atliekamam be šilumos tiekimo ar pašalinimo, izentropinis procesas. Mokslininkas ieškojotoks šilumos variklio ciklas, kuriame entropija nepadidėtų. Bet, deja, to padaryti jam nepavyko. Todėl jis padarė išvadą, kad šiluminio variklio išvis negalima sukurti.
Tačiau ne visi tyrinėtojai buvo tokie pesimistiški. Jie ieškojo tikrų ciklų šiluminiams varikliams. Dėl jų paieškų Nikolaus Augustas Otto sukūrė savo šilumos variklio ciklą, kuris dabar įdiegtas benzininiuose varikliuose. Čia atliekamas adiabatinis darbinio skysčio suspaudimo procesas ir izochorinis šilumos tiekimas (kuro deginimas pastoviu tūriu), tada atsiranda adiabatinis plėtimasis (darbą atlieka darbinis skystis didindamas jo tūrį) ir izochorinį. šilumos šalinimas. Pirmieji Otto ciklo vidaus degimo varikliai kaip degalus naudojo degiąsias dujas. Daug vėliau buvo išrasti karbiuratoriai, kurie pradėjo kurti benzino ir oro mišinius iš oro su benzino garais ir tiekti juos į variklio cilindrą.
Otto cikle degusis mišinys yra suspaudžiamas, todėl jo suspaudimas yra santykinai mažas – degus mišinys linkęs detonuoti (sprogti, kai pasiekiamas kritinis slėgis ir temperatūra). Todėl darbas adiabatinio suspaudimo proceso metu yra palyginti mažas. Čia pristatoma kita sąvoka: suspaudimo laipsnis yra bendro tūrio ir suspaudimo tūrio santykis.
Tęsiama būdų, kaip padidinti kuro energijos vartojimo efektyvumą, paieška. Efektyvumo padidėjimas buvo pastebėtas padidėjus suspaudimo laipsniui. Rudolfas Dieselis sukūrė savo ciklą, kuriuo tiekiama šilumaesant pastoviam slėgiui (izobariniame procese). Jo ciklas buvo variklių, naudojančių dyzelinį kurą (jis taip pat vadinamas dyzelinu), pagrindas. Dyzelino ciklas suspaudžia ne degųjį mišinį, o orą. Todėl sakoma, kad darbas atliekamas adiabatiniu procesu. Temperatūra ir slėgis suspaudimo pabaigoje yra aukšti, todėl degalai įpurškiami per purkštukus. Jis susimaišo su karštu oru, sudaro degų mišinį. Jis perdega, o darbinio skysčio vidinė energija didėja. Toliau dujos plečiasi išilgai adiabatinės linijos, daromas darbinis smūgis.
Bandymas įdiegti dyzelino ciklą šiluminiuose varikliuose nepavyko, todėl Gustavas Trinkleris sukūrė kombinuotą Trinklerio ciklą. Jis naudojamas šiuolaikiniuose dyzeliniuose varikliuose. Trinklerio cikle šiluma tiekiama išilgai izochoro, o paskui išilgai izobaro. Tik po to atliekamas adiabatinis darbinio skysčio plėtimosi procesas.
Pagal analogiją su stūmokliniais šilumos varikliais, veikia ir turbininiai varikliai. Tačiau juose šilumos pašalinimo procesas, baigus naudingą adiabatinį dujų išsiplėtimą, atliekamas išilgai izobaro. Orlaiviuose su dujų turbinomis ir turbosraigtiniais varikliais adiabatinis procesas vyksta du kartus: suspaudimo ir išsiplėtimo metu.
Visoms pagrindinėms adiabatinio proceso sąvokoms pagrįsti buvo pasiūlytos skaičiavimo formulės. Čia atsiranda svarbus dydis, vadinamas adiabatiniu eksponentu. Jo vertė dviatomėms dujoms (deguonis ir azotas yra pagrindinės ore esančios dviatomės dujos) yra 1,4.adiabatinis eksponentas, naudojamos dvi įdomesnės charakteristikos, būtent: izobarinė ir izochorinė darbinio skysčio šiluminė talpa. Jų santykis k=Cp/Cv yra adiabatinis eksponentas.
Kodėl adiabatinis procesas naudojamas šilumos variklių teoriniuose ciklus? Tiesą sakant, atliekami politropiniai procesai, tačiau dėl to, kad jie vyksta dideliu greičiu, įprasta manyti, kad šilumos mainai su aplinka nevyksta.
90 % elektros energijos pagaminama šiluminėse elektrinėse. Jie naudoja vandens garus kaip darbinį skystį. Jis gaunamas verdant vandenį. Norint padidinti garo darbinį potencialą, jis perkaitinamas. Tada perkaitintas garas aukštu slėgiu paduodamas į garo turbiną. Čia taip pat vyksta adiabatinis garų plėtimosi procesas. Turbina gauna sukimąsi, ji perkeliama į elektros generatorių. Tai savo ruožtu gamina elektros energiją vartotojams. Garo turbinos veikia Rankine ciklu. Idealiu atveju efektyvumo padidėjimas taip pat siejamas su vandens garų temperatūros ir slėgio padidėjimu.
Kaip matyti iš aukščiau, adiabatinis procesas yra labai paplitęs gaminant mechaninę ir elektros energiją.
