Чтобы построить тепловую машину, которая может выполнять работу за счет использования теплоты, необходимо создать определенные условия. Прежде всего, тепловая машина должная работать в циклическом режиме, где ряд последовательных термодинамических процессов создают цикл. В результате совершения цикла газ, заключенный в цилиндр с подвижным поршнем, совершает работу. Но одного цикла для периодически действующей машины мало, она должна выполнять циклы раз за разом в течение определенного времени. Суммарная работа, выполненная в течение заданного времени в реальности, деленная на время дает еще одно важное понятие – мощность.
В середине XIX века были созданы первые тепловые машины. Они производили работу, но затрачивали большое количество теплоты, получаемой при сгорании топлива. Именно тогда физики-теоретики задались вопросами: «Как газ работает в тепловой машине? Как получить максимум работы при минимуме использования топлива?»
Чтобы выполнить анализ работы газом, понадобилось ввести целую систему определений и понятий. Совокупность всех определений и создала целое научное направление, получившее название: «Техническая термодинамика». В термодинамике был принят ряд допущений, нисколько не умаляющих основные выводы. Рабочее тело – эфемерный газ (не существующий в природе), который может быть сжат до нулевого объема, молекулы которого не взаимодействуют между собой. В окружающей природе существуют только реальные газы, которые имеют вполне определенные свойства, отличимые от идеального газа.
Чтобы рассматривать модели динамики рабочего тела, были предложены законы термодинамики, описывающие основные термодинамические процессы, такие как:
- изохорный процесс – это процесс, который выполняется без изменения объема рабочего тела. Условие изохорного процесса, v=const;
- изобарный процесс – это процесс, который выполняется без изменения давления в рабочем теле. Условие изобарного процесса, P=const;
- изотермический (изотермный) процесс – это процесс, который выполняется при сохранении температуры на заданном уровне. Условие изотермического процесса, T=const;
- адиабатический процесс (адиабатный, так его называют современные теплотехники) – это процесс, совершаемый в пространстве без обмена теплотой с окружающей средой. Условие адиабатического процесса, q=0;
- политропный процесс – это самый обобщенный процесс, который описывает все названные выше термодинамические процессы, а также все остальные возможные для совершения в цилиндре с подвижным поршнем.
В период создания первых тепловых машин искали цикл, в котором можно получить самый высокий КПД (коэффициент полезного действия). Сади Карно, исследуя совокупность термодинамических процессов, по наитию пришел к разработке своего цикла, получившим его имя – цикл Карно. В нем последовательно выполняются изотермический, затем адиабатический процесс сжатия. Рабочее тело после выполнения этих процессов обладает запасом внутренней энергии, но цикл еще не завершен, поэтому рабочее тело расширяется и выполняет изотермический процесс расширения. Чтобы закончить цикл и вернуться к исходным параметрам рабочего тела, выполняется адиабатический процесс расширения.
Карно доказал, что КПД в его цикле достигает максимума и зависит только от температур двух изотерм. Чем выше разность между ними, тем, соответственно, выше термический КПД. Попытки создать тепловую машину по циклу Карно так и не увенчались успехом. Это идеальный цикл, который выполнить нельзя. Но он доказал главный принцип второго начала термодинамики о невозможности получения работы, равной затратам тепловой энергии. Был сформулирован ряд определений второму началу (закону) термодинамики, на основании которых Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии. Главный вывод его исследований – энтропия постоянно возрастает, что ведет к тепловой «смерти».
Самым главным достижением Клаузиуса явилось понимание сути адиабатического процесса, при его выполнении энтропия рабочего тела не меняется. Поэтому адиабатический процесс по Клаузиусу – это s=const. Здесь s – это энтропия, которая дает еще одно название процессу, совершаемому без подвода или отвода теплоты, – изоэнтропийный процесс. Ученый занимался поиском такого цикла тепловой машины, где не происходило бы увеличение энтропии. Но, к сожалению, такого он создать не сумел. Поэтому вывел, что тепловая машина не может быть создана вообще.
Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине. Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы. Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.
В цикле Отто сжимается горючая смесь, поэтому величина сжатия ее сравнительно небольшая – горючая смесь имеет склонность детонировать (взрываться при достижении критических давлений и температур). Поэтому работа при адиабатическом процессе сжатия сравнительно невелика. Здесь введено еще одно понятие: степень сжатия – отношение полного объема к объему сжатия.
Поиск путей увеличения эффективности использования энергии топлива продолжался. Увеличение КПД видели в повышении степени сжатия. Рудольф Дизель разработал свой цикл, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении (в изобарном процессе). Его цикл лег в основу двигателей, использующих дизельное топливо (его еще называют соляркой). В цикле Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух. Поэтому говорят, что совершается работа в адиабатическом процессе. Температура и давление в конце сжатия высоки, поэтому через форсунки осуществляется впрыск топлива. Оно перемешивается с горячим воздухом, образует горючую смесь. Она сгорает, при этом увеличивается внутренняя энергия рабочего тела. Далее расширение газа идет по адиабате, совершается рабочий ход.
Попытка реализовать цикл Дизеля в тепловых машинах не удалась, поэтому Густав Тринклер создал комбинированный цикл Тринклера. Его и используют в сегодняшних дизельных двигателях. В цикле Тринклера теплота подводится по изохоре, а потом по изобаре. Только после этого выполняется адиабатический процесс расширения рабочего тела.
По аналогии с поршневыми тепловыми машинами работают и турбинные. Но в них процесс отвода теплоты по завершении полезного адиабатического расширения газа выполняется по изобаре. На самолетах с газотурбинным и турбовинтовым двигателями адиабатический процесс совершается дважды: при сжатии и расширении.
Чтобы обосновать все основополагающие понятия адиабатического процесса, были предложены расчетные формулы. Здесь фигурирует важная величина, получившая название показатель адиабаты. Его значение для двухатомного газа (кислород и азот – это основные двухатомные газы, имеющиеся в воздухе) равно 1,4. Для расчета показателя адиабаты используются еще две интересные характеристики, а именно: изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела. Отношение их k=Cp/Cv – и есть показатель адиабаты.
Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой.
90% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина. В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара.
Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий.
