Isı kullanarak iş yapabilen bir ısı motoru yapmak için belirli koşullar oluşturmanız gerekir. Her şeyden önce, bir ısı motoru, bir dizi ardışık termodinamik sürecin bir döngü oluşturduğu döngüsel bir modda çalışmalıdır. Döngünün bir sonucu olarak, hareketli bir pistona sahip bir silindirin içindeki gaz çalışır. Ancak periyodik olarak çalışan bir makine için bir döngü yeterli değildir, belirli bir süre boyunca tekrar tekrar döngüler yapması gerekir. Gerçekte belirli bir süre boyunca gerçekleştirilen toplam iş, zamana bölünür, başka bir önemli kavram verir - güç.
19. yüzyılın ortalarında, ilk ısı motorları yaratıldı. Çalıştılar, ancak yakıtın yanmasından elde edilen büyük miktarda ısı harcadılar. O zaman teorik fizikçiler kendilerine şu soruları sordular: “Bir ısı motorunda gaz nasıl çalışır? Minimum yakıt kullanımı ile maksimum performans nasıl elde edilir?”
Gaz çalışmasının bir analizini yapmak için, bütün bir tanım ve kavram sistemini tanıtmak gerekliydi. Tüm tanımların toplamı, alınan bütün bir bilimsel yön yarattı.başlık: "Teknik termodinamik". Termodinamikte, ana sonuçlardan hiçbir şekilde uzaklaşmayan bir takım varsayımlar yapılmıştır. Çalışma sıvısı, molekülleri birbiriyle etkileşime girmeyen, sıfır hacme sıkıştırılabilen geçici bir gazdır (doğada mevcut değildir). Doğada, yalnızca ideal gazdan farklı, iyi tanımlanmış özelliklere sahip gerçek gazlar vardır.
Çalışan akışkanın dinamiğinin modellerini dikkate almak için, ana termodinamik süreçleri açıklayan termodinamik yasaları önerildi, örneğin:
- izokorik işlem, çalışma sıvısının hacmini değiştirmeden gerçekleştirilen bir işlemdir. İzokorik süreç koşulu, v=const;
- İzobarik işlem, çalışma akışkanındaki basınç değiştirilmeden gerçekleştirilen bir işlemdir. İzobarik süreç koşulu, P=const;
- izotermal (izotermal) işlem, sıcaklığı belirli bir seviyede tutarak gerçekleştirilen bir işlemdir. İzotermal süreç koşulu, T=const;
- adyabatik süreç (modern ısı mühendislerinin dediği gibi adyabatik), çevre ile ısı alışverişi olmadan uzayda gerçekleştirilen bir süreçtir. Adyabatik süreç koşulu, q=0;
- politropik süreç - bu, yukarıdaki tüm termodinamik süreçleri ve ayrıca hareketli pistonlu bir silindirde gerçekleştirilebilecek diğer tüm süreçleri tanımlayan en genelleştirilmiş süreçtir.
İlk ısı motorlarının yaratılması sırasında en yüksek verimi alabileceğiniz bir çevrim arıyorlardı.(yeterlik). Termodinamik süreçlerin bütününü keşfeden Sadi Carnot, bir hevesle, adını alan kendi döngüsünün gelişimine geldi - Carnot döngüsü. Sırayla bir izotermal, ardından adyabatik bir sıkıştırma işlemi gerçekleştirir. Bu işlemleri gerçekleştirdikten sonra çalışan akışkanın bir iç enerji rezervi vardır, ancak döngü henüz tamamlanmamıştır, bu nedenle çalışma akışkanı genişler ve izotermal bir genleşme işlemi gerçekleştirir. Döngüyü tamamlamak ve çalışma akışkanının orijinal parametrelerine dönmek için adyabatik bir genleşme işlemi gerçekleştirilir.
Carnot, döngüsündeki verimliliğin maksimuma ulaştığını ve yalnızca iki izotermin sıcaklıklarına bağlı olduğunu kanıtladı. Aralarındaki fark ne kadar yüksek olursa, buna bağlı olarak daha yüksek termal verim. Carnot döngüsüne göre bir ısı motoru yaratma girişimleri başarılı olmadı. Bu, yerine getirilemeyecek ideal bir döngüdür. Ancak, termodinamiğin ikinci yasasının, termal enerjinin maliyetine eşit iş elde etmenin imkansızlığı konusundaki ana ilkesini kanıtladı. Termodinamiğin ikinci yasası için, Rudolf Clausius'un entropi kavramını ortaya attığı temelinde bir dizi tanım formüle edildi. Araştırmasının ana sonucu, entropinin sürekli arttığı ve bunun da termal "ölüme" yol açtığıdır.
Clausius'un en önemli başarısı, adyabatik sürecin özünün anlaşılmasıydı, gerçekleştirildiğinde çalışma sıvısının entropisi değişmez. Bu nedenle Clausius'a göre adyabatik süreç s=const'tur. İşte entropi, ısı verilmeden veya uzaklaştırılmadan gerçekleştirilen işleme başka bir isim veren izentropik işlemdir. Bilim adamı arıyorduentropi artışının olmayacağı bir ısı motorunun böyle bir çevrimi. Ama ne yazık ki bunu başaramadı. Bu nedenle, bir ısı makinesinin hiç yaratılamayacağı sonucuna vardı.
Ancak tüm araştırmacılar bu kadar karamsar değildi. Isı motorları için gerçek çevrimler arıyorlardı. Aramalarının bir sonucu olarak, Nikolaus August Otto, şimdi benzinli motorlarda uygulanan kendi ısı motorunun döngüsünü yarattı. Burada, çalışma sıvısının adyabatik sıkıştırma işlemi ve izokorik ısı beslemesi (sabit bir hacimde yakıtın yanması) gerçekleştirilir, daha sonra adyabatik genleşme ortaya çıkar (iş, hacmini artırma sürecinde çalışma sıvısı tarafından yapılır) ve izokorik ısı giderme. Otto çevriminin ilk içten yanmalı motorlarında yakıt olarak yanıcı gazlar kullanılmıştır. Çok daha sonra, benzin buharları ile havanın benzin-hava karışımlarını oluşturmaya ve bunları motor silindirine beslemeye başlayan karbüratörler icat edildi.
Otto döngüsünde, yanıcı karışım sıkıştırılır, bu nedenle sıkıştırması nispeten küçüktür - yanıcı karışım patlama eğilimindedir (kritik basınçlara ve sıcaklıklara ulaşıldığında patlar). Bu nedenle, adyabatik sıkıştırma işlemi sırasındaki iş nispeten küçüktür. Burada başka bir kavram tanıtılıyor: sıkıştırma oranı, toplam hacmin sıkıştırma hacmine oranıdır.
Yakıt enerji verimliliğini artırmanın yolları aranmaya devam edildi. Sıkıştırma oranındaki artışta verimlilikte bir artış görüldü. Rudolf Diesel, ısının sağlandığı kendi döngüsünü geliştirdisabit basınçta (izobarik süreçte). Döngüsü, dizel yakıt kullanan motorların temelini oluşturdu (dizel yakıt olarak da adlandırılır). Dizel çevrimi yanıcı karışımı değil havayı sıkıştırır. Bu nedenle, işin adyabatik bir süreçte yapıldığı söylenir. Sıkıştırma sonunda sıcaklık ve basınç yüksektir, bu nedenle yakıt enjektörlerden enjekte edilir. Sıcak hava ile karışır, yanıcı bir karışım oluşturur. Çalışan sıvının iç enerjisi artarken yanar. Ayrıca, gazın genleşmesi adyabatik boyunca ilerler, bir çalışma vuruşu yapılır.
Dizel çevrimini ısı motorlarında uygulama girişimi başarısız oldu, bu yüzden Gustav Trinkler birleşik Trinkler çevrimini yarattı. Günümüz dizel motorlarında kullanılmaktadır. Trinkler döngüsünde, ısı izokor boyunca ve ardından izobar boyunca sağlanır. Ancak bundan sonra, çalışma sıvısının adyabatik genleşme süreci gerçekleştirilir.
Pistonlu ısı motorlarına benzeterek, türbin motorları da çalışır. Ancak içlerinde, gazın faydalı adyabatik genişlemesinin tamamlanmasından sonra ısı giderme işlemi izobar boyunca gerçekleştirilir. Gaz türbinli ve turboprop motorlu uçaklarda, adyabatik süreç iki kez gerçekleşir: sıkıştırma ve genişleme sırasında.
Adyabatik sürecin tüm temel kavramlarını doğrulamak için hesaplama formülleri önerildi. Burada adyabatik üs olarak adlandırılan önemli bir nicelik görünür. İki atomlu bir gaz için değeri (oksijen ve azot, havada bulunan başlıca iki atomlu gazlardır) 1.4'tür.adyabatik üs için iki ilginç özellik daha kullanılır: çalışma akışkanının izobarik ve izokorik ısı kapasiteleri. Oranları k=Cp/Cv adyabatik üssüdür.
Isı motorlarının teorik çevrimlerinde neden adyabatik süreç kullanılıyor? Aslında politropik işlemler yapılır, ancak yüksek hızda gerçekleştiği için ortamla ısı alışverişi olmadığını varsaymak adettendir.
Elektriğin %90'ı termik santraller tarafından üretilir. Çalışma sıvısı olarak su buharını kullanırlar. Su kaynatılarak elde edilir. Buharın çalışma potansiyelini arttırmak için aşırı ısıtılır. Kızgın buhar daha sonra yüksek basınçta bir buhar türbinine beslenir. Adyabatik buhar genleşmesi süreci de burada gerçekleşir. Türbin dönüşü alır, bir elektrik jeneratörüne aktarılır. Bu da tüketiciler için elektrik üretir. Buhar türbinleri Rankine çevriminde çalışır. İdeal olarak, verimlilikteki artış, su buharının sıcaklığındaki ve basıncındaki artışla da ilişkilidir.
Yukarıdan da anlaşılacağı gibi, adyabatik süreç mekanik ve elektrik enerjisi üretiminde çok yaygındır.
