За да създадете топлинен двигател, който може да върши работа чрез използване на топлина, трябва да създадете определени условия. На първо място, топлинният двигател трябва да работи в цикличен режим, при който серия от последователни термодинамични процеси създават цикъл. В резултат на цикъла газът, затворен в цилиндър с подвижно бутало, работи. Но един цикъл не е достатъчен за периодично работеща машина; тя трябва да извършва цикли отново и отново за определено време. Общата работа, извършена за дадено време в реалността, разделена на време, дава друга важна концепция - мощност.
В средата на 19-ти век са създадени първите топлинни двигатели. Те работеха, но изразходваха голямо количество топлина, получена от изгарянето на гориво. Тогава физиците-теоретици си задаваха въпроси: „Как работи газът в топлинен двигател? Как да постигнете максимална производителност с минимална консумация на гориво?“
За да се извърши анализ на газовата работа, беше необходимо да се въведе цяла система от дефиниции и понятия. Съвкупността от всички определения създаде цяло научно направление, което получизаглавие: "Техническа термодинамика". В термодинамиката са направени редица предположения, които по никакъв начин не омаловажават основните изводи. Работната течност е ефимерен газ (несъществуващ в природата), който може да бъде компресиран до нулев обем, чиито молекули не взаимодействат една с друга. В природата има само реални газове, които имат добре дефинирани свойства, които са различни от идеалния газ.
За да се разгледат модели на динамиката на работния флуид, бяха предложени законите на термодинамиката, описващи основните термодинамични процеси, като:
- изохорният процес е процес, който се извършва без промяна на обема на работния флуид. Условие на изохорния процес, v=const;
- изобарният процес е процес, който се извършва без промяна на налягането в работния флуид. Изобарно състояние на процеса, P=const;
- изотермичен (изотермичен) процес е процес, който се извършва при поддържане на температурата на дадено ниво. Изотермично състояние на процеса, T=const;
- адиабатен процес (адиабатен, както го наричат съвременните топлоинженери) е процес, извършван в космоса без топлообмен с околната среда. Условие на адиабатния процес, q=0;
- политропен процес - това е най-обобщен процес, който описва всички горепосочени термодинамични процеси, както и всички други възможни за извършване в цилиндър с подвижно бутало.
По време на създаването на първите топлинни двигатели те търсеха цикъл, в който можете да получите най-висока ефективност(ефективност). Сади Карно, изследвайки съвкупността от термодинамични процеси, по прищявка стигна до развитието на собствен цикъл, който получи името си - цикълът на Карно. Той последователно извършва изотермичен, след това адиабатен процес на компресия. Работният флуид след извършване на тези процеси има резерв от вътрешна енергия, но цикълът все още не е завършен, така че работният флуид се разширява и извършва процес на изотермично разширение. За завършване на цикъла и връщане към първоначалните параметри на работния флуид се извършва процес на адиабатно разширение.
Карно доказа, че ефективността в неговия цикъл достига максимум и зависи само от температурите на двете изотерми. Колкото по-голяма е разликата между тях, толкова по-висока е и топлинната ефективност. Опитите за създаване на топлинен двигател според цикъла на Карно не са успешни. Това е идеален цикъл, който не може да бъде изпълнен. Но той доказа основния принцип на втория закон на термодинамиката за невъзможността да се получи работа, равна на цената на топлинната енергия. Формулирани са редица дефиниции за втория закон на термодинамиката, въз основа на които Рудолф Клаузиус въвежда понятието ентропия. Основният извод от неговото изследване е, че ентропията непрекъснато нараства, което води до термична "смърт".
Най-важното постижение на Клаузиус е разбирането на същността на адиабатния процес, когато се извършва, ентропията на работния флуид не се променя. Следователно, според Клаузиус, адиабатният процес е s=const. Тук s е ентропията, която дава друго име на процеса, извършен без подаване или отвеждане на топлина, изоентропен процес. Ученият търсешетакъв цикъл на топлинен двигател, при който няма да има увеличение на ентропията. Но, за съжаление, той не успя да го направи. Следователно той заключи, че топлинен двигател изобщо не може да бъде създаден.
Но не всички изследователи бяха толкова песимистични. Те търсеха реални цикли за топлинни двигатели. В резултат на тяхното търсене Николаус Август Ото създава свой собствен цикъл на топлинния двигател, който сега е внедрен в бензиновите двигатели. Тук се извършва адиабатният процес на компресия на работния флуид и изохорно подаване на топлина (изгаряне на гориво при постоянен обем), след което се появява адиабатното разширение (работата се извършва от работния флуид в процеса на увеличаване на неговия обем) и изохорното разширение отстраняване на топлина. Първите двигатели с вътрешно горене от цикъла на Ото са използвали горими газове като гориво. Много по-късно са изобретени карбураторите, които започват да създават бензиново-въздушни смеси от въздух с бензинови пари и ги подават към цилиндъра на двигателя.
В цикъла на Ото горимата смес се компресира, така че нейната компресия е сравнително малка - горимата смес има тенденция да детонира (експлодира при достигане на критични налягания и температури). Следователно работата по време на процеса на адиабатно компресиране е сравнително малка. Тук се въвежда друга концепция: коефициентът на компресия е съотношението на общия обем към обема на компресия.
Търсенето на начини за повишаване на енергийната ефективност на горивото продължи. Повишаване на ефективността се наблюдава при увеличаване на степента на компресия. Рудолф Дизел разработи свой собствен цикъл, в който се доставя топлинапри постоянно налягане (при изобарен процес). Неговият цикъл е в основата на двигателите, използващи дизелово гориво (нарича се още дизелово гориво). Цикълът на дизела не компресира горимата смес, а въздуха. Следователно се казва, че работата се извършва в адиабатен процес. Температурата и налягането в края на компресията са високи, така че горивото се впръсква през инжекторите. Смесва се с горещ въздух, образува горима смес. Той изгаря, докато вътрешната енергия на работния флуид се увеличава. Освен това разширяването на газа върви по адиабатното, прави се работен ход.
Опитът за прилагане на дизеловия цикъл в топлинните двигатели се провали, така че Густав Тринклер създава комбинирания цикъл на Тринклер. Използва се в съвременните дизелови двигатели. В цикъла на Тринклер топлината се подава по протежение на изохора и след това по изобара. Едва след това се извършва адиабатният процес на разширяване на работния флуид.
По аналогия с буталните топлинни двигатели, турбинните двигатели също работят. Но в тях процесът на отвеждане на топлината след завършване на полезното адиабатно разширение на газа се извършва по изобара. При самолети с газотурбинни и турбовитлови двигатели адиабатният процес се случва два пъти: по време на компресия и разширение.
За да се обосноват всички фундаментални концепции на адиабатния процес, бяха предложени формули за изчисление. Тук се появява важна величина, наречена адиабатен показател. Стойността му за двуатомен газ (кислородът и азотът са основните двуатомни газове, присъстващи във въздуха) е 1,4. За да се изчислиекспонента на адиабата се използват още две интересни характеристики, а именно: изобарната и изохорната топлоемкости на работния флуид. Тяхното съотношение k=Cp/Cv е адиабатният показател.
Защо адиабатният процес се използва в теоретичните цикли на топлинните двигатели? Всъщност се извършват политропни процеси, но поради факта, че протичат с висока скорост, е обичайно да се приема, че няма топлообмен с околната среда.
90% от електроенергията се произвежда от топлоелектрически централи. Те използват водна пара като работен флуид. Получава се чрез кипене на вода. За да се увеличи работният потенциал на парата, тя се прегрява. След това прегрятата пара се подава под високо налягане към парна турбина. Тук се осъществява и адиабатният процес на разширение на парата. Турбината получава въртене, прехвърля се на електрически генератор. Това от своя страна генерира електричество за потребителите. Парните турбини работят по цикъла на Ранкин. В идеалния случай повишаването на ефективността е свързано и с повишаване на температурата и налягането на водната пара.
Както може да се види от горното, адиабатният процес е много често срещан при производството на механична и електрическа енергия.
