Per costruire un motore termico che possa funzionare utilizzando il calore, devi creare determinate condizioni. Innanzitutto, un motore termico deve funzionare in modalità ciclica, dove una serie di processi termodinamici successivi creano un ciclo. Come risultato del ciclo, il gas racchiuso in un cilindro con un pistone mobile funziona. Ma un ciclo non è sufficiente per una macchina che opera periodicamente, deve eseguire cicli più e più volte per un certo tempo. Il lavoro totale svolto in un dato tempo in re altà, diviso per il tempo, fornisce un altro concetto importante: il potere.
A metà del 19° secolo furono create le prime macchine termiche. Funzionavano, ma consumavano una grande quantità di calore ottenuto dalla combustione del carburante. È stato allora che i fisici teorici si sono posti delle domande: “Come funziona il gas in una macchina termica? Come ottenere le massime prestazioni con il minimo consumo di carburante?”
Per eseguire un'analisi del lavoro del gas, è stato necessario introdurre un intero sistema di definizioni e concetti. La totalità di tutte le definizioni ha creato un'intera direzione scientifica, che ha ricevutotitolo: "Termodinamica tecnica". In termodinamica, sono state fatte una serie di ipotesi che non sminuiscono in alcun modo le conclusioni principali. Il fluido di lavoro è un gas effimero (non esistente in natura), che può essere compresso a volume zero, le cui molecole non interagiscono tra loro. In natura esistono solo gas reali che hanno proprietà ben definite diverse da un gas ideale.
Per considerare modelli della dinamica del fluido di lavoro, sono state proposte le leggi della termodinamica, che descrivono i principali processi termodinamici, quali:
- Il processo isocoro è un processo che viene eseguito senza modificare il volume del fluido di lavoro. Condizione del processo isocoro, v=const;
- Il processo isobarico è un processo che viene eseguito senza modificare la pressione nel fluido di lavoro. Condizione del processo isobarico, P=const;
- Il processo isotermico (isotermico) è un processo che viene eseguito mantenendo la temperatura a un determinato livello. Condizione di processo isotermico, T=const;
- Il processo adiabatico (adiabatico, come lo chiamano i moderni ingegneri del calore) è un processo eseguito nello spazio senza scambio di calore con l'ambiente. Condizione del processo adiabatico, q=0;
- processo politropico - questo è il processo più generalizzato che descrive tutti i processi termodinamici di cui sopra, così come tutti gli altri che è possibile eseguire in un cilindro con pistone mobile.
Durante la realizzazione dei primi motori termici, si cercava un ciclo in cui si potesse ottenere la massima efficienza(efficienza). Sadi Carnot, esplorando la totalità dei processi termodinamici, per capriccio è arrivato allo sviluppo del proprio ciclo, che ha ricevuto il suo nome: il ciclo di Carnot. Esegue in sequenza un processo di compressione isotermica, quindi adiabatica. Il fluido di lavoro dopo aver eseguito questi processi ha una riserva di energia interna, ma il ciclo non è ancora completato, quindi il fluido di lavoro si espande ed esegue un processo di espansione isotermica. Per completare il ciclo e tornare ai parametri originali del fluido di lavoro, viene eseguito un processo di espansione adiabatica.
Carnot ha dimostrato che l'efficienza nel suo ciclo raggiunge un massimo e dipende solo dalle temperature delle due isoterme. Maggiore è la differenza tra loro, maggiore è l'efficienza termica corrispondente. I tentativi di creare un motore termico secondo il ciclo di Carnot non hanno avuto successo. Questo è un ciclo ideale che non può essere soddisfatto. Ma ha dimostrato il principio fondamentale della seconda legge della termodinamica sull'impossibilità di ottenere un lavoro pari al costo dell'energia termica. Sono state formulate alcune definizioni per la seconda legge della termodinamica, sulla base della quale Rudolf Clausius ha introdotto il concetto di entropia. La conclusione principale della sua ricerca è che l'entropia è in costante aumento, il che porta alla "morte" termica.
Il risultato più importante di Clausius è stata la comprensione dell'essenza del processo adiabatico, quando viene eseguito, l'entropia del fluido di lavoro non cambia. Pertanto, secondo Clausius, il processo adiabatico è s=const. Qui s è l'entropia, che dà un altro nome al processo eseguito senza apporto o sottrazione di calore, il processo isoentropico. Lo scienziato stava cercandoun tale ciclo di un motore termico in cui non ci sarebbe aumento di entropia. Ma, sfortunatamente, non è riuscito a farlo. Pertanto, ha dedotto che non è affatto possibile creare un motore termico.
Ma non tutti i ricercatori erano così pessimisti. Stavano cercando dei veri cicli per i motori termici. Come risultato della loro ricerca, Nikolaus August Otto ha creato il proprio ciclo del motore termico, che ora è implementato nei motori a benzina. Qui vengono eseguiti il processo adiabatico di compressione del fluido di lavoro e la fornitura di calore isocora (combustione del carburante a volume costante), quindi appare l'espansione adiabatica (il lavoro viene svolto dal fluido di lavoro nel processo di aumento del suo volume) e isocora rimozione del calore. I primi motori a combustione interna del ciclo Otto utilizzavano come combustibile gas combustibili. Molto più tardi furono inventati i carburatori, che iniziarono a creare miscele aria-benzina di aria con vapori di benzina e ad alimentarle al cilindro del motore.
Nel ciclo Otto, la miscela combustibile è compressa, quindi la sua compressione è relativamente piccola - la miscela combustibile tende a esplodere (esplode quando vengono raggiunte pressioni e temperature critiche). Pertanto, il lavoro durante il processo di compressione adiabatica è relativamente piccolo. Qui viene introdotto un altro concetto: il rapporto di compressione è il rapporto tra il volume totale e il volume di compressione.
La ricerca di modi per aumentare l'efficienza energetica del carburante è continuata. Un aumento dell'efficienza è stato visto in un aumento del rapporto di compressione. Rudolf Diesel ha sviluppato il proprio ciclo in cui viene fornito il calorea pressione costante (in processo isobarico). Il suo ciclo ha costituito la base dei motori che utilizzano carburante diesel (è anche chiamato carburante diesel). Il ciclo Diesel non comprime la miscela combustibile, ma aria. Pertanto, si dice che il lavoro sia svolto in un processo adiabatico. La temperatura e la pressione alla fine della compressione sono elevate, quindi il carburante viene iniettato attraverso gli iniettori. Si mescola con aria calda, forma una miscela combustibile. Si brucia, mentre l'energia interna del fluido di lavoro aumenta. Inoltre, l'espansione del gas segue l'adiabatico, viene eseguita una corsa di lavoro.
Il tentativo di implementare il ciclo Diesel nei motori termici è fallito, quindi Gustav Trinkler ha creato il ciclo Trinkler combinato. È utilizzato nei motori diesel di oggi. Nel ciclo Trinkler, il calore viene fornito lungo l'isocore e poi lungo l'isobar. Solo successivamente viene eseguito il processo adiabatico di espansione del fluido di lavoro.
Per analogia con i motori termici alternativi, funzionano anche i motori a turbina. Ma in essi, il processo di rimozione del calore dopo il completamento dell'utile espansione adiabatica del gas viene effettuato lungo l'isobar. Sui velivoli con motori a turbina a gas e turboelica, il processo adiabatico si verifica due volte: durante la compressione e l'espansione.
Per avvalorare tutti i concetti fondamentali del processo adiabatico sono state proposte formule di calcolo. Qui compare una quantità importante, chiamata esponente adiabatico. Il suo valore per un gas biatomico (ossigeno e azoto sono i principali gas biatomici presenti nell'aria) è 1,4.l'esponente adiabatico, vengono utilizzate altre due caratteristiche interessanti, ovvero: le capacità termiche isobariche e isocora del fluido di lavoro. Il loro rapporto k=Cp/Cv è l'esponente adiabatico.
Perché il processo adiabatico viene utilizzato nei cicli teorici dei motori termici? In effetti, vengono eseguiti processi politropici, ma poiché si verificano ad alta velocità, è consuetudine presumere che non vi sia scambio di calore con l'ambiente.
Il 90% dell'elettricità è generata da centrali termoelettriche. Usano il vapore acqueo come fluido di lavoro. Si ottiene facendo bollire l'acqua. Per aumentare il potenziale di lavoro del vapore, viene surriscaldato. Il vapore surriscaldato viene quindi alimentato ad alta pressione ad una turbina a vapore. Qui avviene anche il processo adiabatico di espansione del vapore. La turbina riceve la rotazione, viene trasferita a un generatore elettrico. Questo, a sua volta, genera elettricità per i consumatori. Le turbine a vapore funzionano secondo il ciclo Rankine. Idealmente, l'aumento dell'efficienza è anche associato a un aumento della temperatura e della pressione del vapore acqueo.
Come si evince da quanto sopra, il processo adiabatico è molto comune nella produzione di energia meccanica ed elettrica.
