ในการสร้างเครื่องทำความร้อนที่สามารถทำงานได้โดยใช้ความร้อน คุณต้องสร้างเงื่อนไขบางประการ ประการแรก เครื่องยนต์ความร้อนต้องทำงานในโหมดวัฏจักร โดยที่ชุดของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่ต่อเนื่องกันจะสร้างวัฏจักร เป็นผลมาจากวัฏจักรนี้ ก๊าซที่อยู่ในกระบอกสูบที่มีลูกสูบแบบเคลื่อนที่ได้จึงทำงาน แต่หนึ่งรอบไม่เพียงพอสำหรับเครื่องที่ทำงานเป็นระยะ ๆ มันจะต้องทำรอบซ้ำแล้วซ้ำอีกในช่วงระยะเวลาหนึ่ง งานทั้งหมดที่ทำในช่วงเวลาที่กำหนดในความเป็นจริงหารด้วยเวลาให้แนวคิดที่สำคัญอีกอย่างหนึ่ง - พลัง
ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ฮีทเอ็นจิ้นเครื่องแรกถูกสร้างขึ้น พวกเขาทำงาน แต่ใช้ความร้อนจำนวนมากที่ได้รับจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ตอนนั้นเองที่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้ตั้งคำถามกับตัวเองว่า “ก๊าซทำงานอย่างไรในเครื่องยนต์ความร้อน? จะได้รับประสิทธิภาพสูงสุดโดยใช้เชื้อเพลิงขั้นต่ำได้อย่างไร”
ในการวิเคราะห์งานแก๊ส จำเป็นต้องแนะนำทั้งระบบของคำจำกัดความและแนวคิด ผลรวมของคำจำกัดความทั้งหมดสร้างทิศทางทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมดซึ่งได้รับหัวเรื่อง: "อุณหพลศาสตร์ทางเทคนิค". ในอุณหพลศาสตร์ มีการตั้งสมมติฐานจำนวนหนึ่งซึ่งไม่เบี่ยงเบนไปจากข้อสรุปหลัก สารทำงานเป็นก๊าซชั่วคราว (ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ) ซึ่งสามารถบีบอัดให้มีปริมาตรเป็นศูนย์ ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้ไม่มีปฏิกิริยาระหว่างกัน โดยธรรมชาติแล้ว มีเพียงก๊าซจริงที่มีคุณสมบัติชัดเจนซึ่งแตกต่างจากก๊าซในอุดมคติ
เพื่อพิจารณาแบบจำลองไดนามิกของของไหลทำงาน ได้เสนอกฎของเทอร์โมไดนามิกส์ โดยอธิบายกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์หลัก เช่น:
- กระบวนการ isochoric เป็นกระบวนการที่ดำเนินการโดยไม่เปลี่ยนปริมาตรของของไหลทำงาน เงื่อนไขกระบวนการ isochoric v=const;
- กระบวนการไอโซบาริกเป็นกระบวนการที่ดำเนินการโดยไม่เปลี่ยนความดันในสารทำงาน เงื่อนไขกระบวนการไอโซบาริก P=const;
- ไอโซเทอร์มอล (ไอโซเทอร์มอล) กระบวนการเป็นกระบวนการที่ดำเนินการในขณะที่รักษาอุณหภูมิไว้ที่ระดับที่กำหนด เงื่อนไขกระบวนการไอโซเทอร์มอล T=const;
- กระบวนการอะเดียแบติก (อะเดียแบติกตามที่วิศวกรความร้อนสมัยใหม่เรียกว่า) เป็นกระบวนการที่ดำเนินการในอวกาศโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม เงื่อนไขกระบวนการอะเดียแบติก q=0;
- polytropic process - นี่เป็นกระบวนการทั่วไปที่สุดที่อธิบายกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ข้างต้นทั้งหมด เช่นเดียวกับกระบวนการอื่นๆ ที่เป็นไปได้ในกระบอกสูบที่มีลูกสูบแบบเคลื่อนที่ได้
ระหว่างการสร้างฮีทเอ็นจิ้นเครื่องแรก พวกเขากำลังมองหาวงจรที่คุณจะได้ประสิทธิภาพสูงสุด(ประสิทธิภาพ). Sadi Carnot สำรวจจำนวนทั้งสิ้นของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์โดยไม่ได้ตั้งใจมาเพื่อพัฒนาวัฏจักรของเขาเองซึ่งได้รับชื่อของเขา - วัฏจักรการ์โนต์ มันทำตามลำดับด้วยอุณหภูมิความร้อน จากนั้นจึงทำกระบวนการบีบอัดแบบอะเดียแบติก สารทำงานหลังจากดำเนินการตามกระบวนการเหล่านี้มีพลังงานสำรองภายใน แต่วัฏจักรยังไม่สมบูรณ์ ดังนั้นของไหลทำงานจึงขยายตัวและดำเนินการตามกระบวนการขยายตัวด้วยอุณหภูมิความร้อนคงที่ เพื่อให้วงจรสมบูรณ์และกลับสู่พารามิเตอร์เดิมของของไหลทำงาน กระบวนการขยายแบบอะเดียแบติกจะถูกดำเนินการ
Carnot พิสูจน์แล้วว่าประสิทธิภาพในวัฏจักรของเขาถึงระดับสูงสุดและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของไอโซเทอร์มทั้งสองเท่านั้น ยิ่งมีความแตกต่างกันมากเท่าใด ประสิทธิภาพเชิงความร้อนก็จะสูงขึ้นตามลำดับ ความพยายามที่จะสร้างเครื่องยนต์ความร้อนตามวัฏจักรคาร์โนต์ไม่ประสบผลสำเร็จ นี่เป็นวงจรในอุดมคติที่ไม่สามารถทำได้ แต่เขาได้พิสูจน์หลักการสำคัญของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ที่จะได้งานเท่ากับต้นทุนพลังงานความร้อน มีการกำหนดคำจำกัดความจำนวนหนึ่งสำหรับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ บนพื้นฐานของการที่รูดอล์ฟ คลอเซียส ได้แนะนำแนวคิดของเอนโทรปี ข้อสรุปหลักของงานวิจัยของเขาคือเอนโทรปีเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งนำไปสู่ "ความตาย" จากความร้อน
ความสำเร็จที่สำคัญที่สุดของ Clausius คือการเข้าใจสาระสำคัญของกระบวนการอะเดียแบติก เมื่อดำเนินการแล้ว เอนโทรปีของสารทำงานจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นตาม Clausius กระบวนการอะเดียแบติกคือ s=const นี่คือเอนโทรปีซึ่งให้ชื่ออื่นแก่กระบวนการที่ดำเนินการโดยไม่ต้องจ่ายหรือกำจัดความร้อนซึ่งเป็นกระบวนการไอเซนโทรปิก นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนที่ไม่มีเอนโทรปีเพิ่มขึ้น แต่น่าเสียดายที่เขาล้มเหลวในการทำเช่นนั้น ดังนั้นเขาจึงสรุปว่าเครื่องยนต์ความร้อนไม่สามารถสร้างขึ้นได้เลย
แต่ไม่ใช่นักวิจัยทุกคนที่มองโลกในแง่ร้ายนัก พวกเขากำลังมองหาวงจรที่แท้จริงสำหรับเครื่องยนต์ความร้อน จากการค้นหาของพวกเขา Nikolaus August Otto ได้สร้างวัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนขึ้นซึ่งขณะนี้มีการใช้งานในเครื่องยนต์เบนซิน ที่นี่ดำเนินการกระบวนการอะเดียแบติกของการบีบอัดของของไหลทำงานและการจ่ายความร้อนแบบไอโซโคริก (การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงที่ปริมาตรคงที่) จากนั้นการขยายตัวแบบอะเดียแบติกจะปรากฏขึ้น (งานทำโดยของไหลทำงานในกระบวนการเพิ่มปริมาตร) และไอโซโคริก การกำจัดความร้อน เครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องแรกของ Otto cycle ใช้ก๊าซที่ติดไฟได้เป็นเชื้อเพลิง ต่อมาได้มีการประดิษฐ์คาร์บูเรเตอร์ขึ้น ซึ่งเริ่มสร้างส่วนผสมของอากาศกับน้ำมันเบนซินกับไอน้ำมันของน้ำมันเบนซินและจ่ายไปยังกระบอกสูบเครื่องยนต์
ในรอบ Otto ส่วนผสมที่ติดไฟได้จะถูกบีบอัด ดังนั้นการบีบอัดจึงค่อนข้างเล็ก - ส่วนผสมที่ติดไฟได้มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการระเบิด (ระเบิดเมื่อถึงแรงกดดันและอุณหภูมิวิกฤต) ดังนั้นงานระหว่างกระบวนการอัดแบบอะเดียแบติกจึงค่อนข้างเล็ก มีการแนะนำแนวคิดอื่นที่นี่: อัตราส่วนการอัดคืออัตราส่วนของปริมาตรทั้งหมดต่อปริมาตรของการบีบอัด
ค้นหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นในอัตราส่วนการอัดที่เพิ่มขึ้น รูดอล์ฟ ดีเซล พัฒนาวัฏจักรของตัวเองในการจัดหาความร้อนที่ความดันคงที่ (ในกระบวนการไอโซบาริก) วัฏจักรของเขาเป็นพื้นฐานของเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันดีเซล (เรียกอีกอย่างว่าน้ำมันดีเซล) วัฏจักรดีเซลไม่บีบอัดส่วนผสมที่ติดไฟได้ แต่อากาศ ดังนั้นงานจึงเรียกว่าเป็นกระบวนการอะเดียแบติก อุณหภูมิและความดันเมื่อสิ้นสุดการอัดสูง ดังนั้นเชื้อเพลิงจึงถูกฉีดผ่านหัวฉีด ผสมกับอากาศร้อนทำให้เกิดส่วนผสมที่ติดไฟได้ มันเผาไหม้ในขณะที่พลังงานภายในของของไหลทำงานเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ การขยายตัวของแก๊สไปตามอะเดียแบติกทำให้เกิดจังหวะการทำงาน
ความพยายามในการใช้วงจรดีเซลในเครื่องยนต์ความร้อนล้มเหลว Gustav Trinkler จึงสร้างวงจร Trinkler ที่รวมกัน มันถูกใช้ในเครื่องยนต์ดีเซลในปัจจุบัน ในวงจร Trinkler ความร้อนจะถูกจ่ายไปตามไอโซคอร์และตามด้วยไอโซบาร์ หลังจากนั้นจึงทำกระบวนการอะเดียแบติกของการขยายตัวของของไหลทำงาน
เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์ความร้อนแบบลูกสูบ เครื่องยนต์กังหันก็ใช้งานได้เช่นกัน แต่ในพวกเขา กระบวนการกำจัดความร้อนหลังจากเสร็จสิ้นการขยายตัวของก๊าซอะเดียแบติกที่มีประโยชน์ตามไอโซบาร์ บนเครื่องบินที่มีเครื่องยนต์กังหันแก๊สและเทอร์โบพร็อพ กระบวนการอะเดียแบติกจะเกิดขึ้นสองครั้ง: ระหว่างการบีบอัดและการขยายตัว
เพื่อพิสูจน์แนวคิดพื้นฐานทั้งหมดของกระบวนการอะเดียแบติก ได้เสนอสูตรการคำนวณ ปริมาณที่สำคัญปรากฏขึ้นที่นี่ เรียกว่าเลขชี้กำลังอะเดียแบติก ค่าของมันสำหรับก๊าซไดอะตอมมิก (ออกซิเจนและไนโตรเจนเป็นก๊าซไดอะตอมมิกหลักที่มีอยู่ในอากาศ) คือ 1.4 ในการคำนวณเลขชี้กำลังอะเดียแบติกใช้คุณลักษณะที่น่าสนใจอีกสองประการคือ: ความจุความร้อนแบบไอโซบาริกและไอโซโคริกของของไหลทำงาน อัตราส่วน k=Cp/Cv คือเลขชี้กำลังอะเดียแบติก
เหตุใดจึงใช้กระบวนการอะเดียแบติกในวงจรทางทฤษฎีของเครื่องยนต์ความร้อน อันที่จริง กระบวนการโพลิทรอปิกนั้นถูกดำเนินการ แต่เนื่องจากมันเกิดขึ้นที่ความเร็วสูง จึงเป็นเรื่องปกติที่จะถือว่าไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม
90% ของไฟฟ้าผลิตโดยโรงไฟฟ้าพลังความร้อน พวกเขาใช้ไอน้ำเป็นสารทำงาน ได้มาจากน้ำเดือด เพื่อเพิ่มศักยภาพการทำงานของไอน้ำ ไอน้ำร้อนยวดยิ่งจะถูกป้อนด้วยแรงดันสูงไปยังกังหันไอน้ำ กระบวนการอะเดียแบติกของการขยายไอน้ำก็เกิดขึ้นที่นี่เช่นกัน กังหันได้รับการหมุน มันถูกโอนไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในทางกลับกันก็ผลิตไฟฟ้าให้กับผู้บริโภค กังหันไอน้ำทำงานบนวัฏจักรแรงคิน ตามหลักการแล้ว การเพิ่มประสิทธิภาพยังสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความดันของไอน้ำ
ดังที่เห็นจากด้านบน กระบวนการอะเดียแบติกเป็นเรื่องธรรมดามากในการผลิตพลังงานกลและไฟฟ้า