Untuk membuat mesin kalor yang dapat melakukan kerja dengan menggunakan kalor, Anda perlu membuat kondisi tertentu. Pertama-tama, mesin kalor harus beroperasi dalam mode siklik, di mana serangkaian proses termodinamika yang berurutan menciptakan siklus. Sebagai hasil dari siklus, gas yang berada di dalam silinder dengan piston yang dapat digerakkan bekerja. Tetapi satu siklus tidak cukup untuk mesin yang beroperasi secara berkala; ia harus melakukan siklus berulang-ulang untuk waktu tertentu. Kerja total yang dilakukan selama waktu tertentu dalam kenyataan, dibagi dengan waktu, memberikan konsep penting lainnya - daya.
Di pertengahan abad ke-19, mesin kalor pertama diciptakan. Mereka memang bekerja, tetapi mengeluarkan sejumlah besar panas yang diperoleh dari pembakaran bahan bakar. Saat itulah fisikawan teoretis mengajukan pertanyaan kepada diri mereka sendiri: “Bagaimana cara kerja gas di mesin kalor? Bagaimana cara mendapatkan performa maksimal dengan penggunaan bahan bakar minimal?”
Untuk melakukan analisis kerja gas, perlu untuk memperkenalkan seluruh sistem definisi dan konsep. Totalitas semua definisi menciptakan arah ilmiah yang utuh, yang menerimajudul: "Termodinamika Teknis". Dalam termodinamika, sejumlah asumsi telah dibuat yang sama sekali tidak mengurangi kesimpulan utama. Fluida kerja adalah gas ephemeral (tidak ada di alam), yang dapat dikompresi hingga volume nol, molekul-molekulnya tidak berinteraksi satu sama lain. Di alam, hanya ada gas nyata yang memiliki sifat terdefinisi dengan baik yang berbeda dari gas ideal.
Untuk mempertimbangkan model dinamika fluida kerja, hukum termodinamika diusulkan, yang menjelaskan proses termodinamika utama, seperti:
- proses isochoric adalah proses yang dilakukan tanpa mengubah volume fluida kerja. Kondisi proses isokhorik, v=const;
- proses isobarik adalah proses yang dilakukan tanpa mengubah tekanan dalam fluida kerja. Kondisi proses isobarik, P=const;
- proses isotermal (isotermal) adalah proses yang dilakukan sambil mempertahankan suhu pada tingkat tertentu. Kondisi proses isotermal, T=const;
- proses adiabatik (adiabatik, sebagaimana ahli panas modern menyebutnya) adalah proses yang dilakukan di ruang tanpa pertukaran panas dengan lingkungan. Kondisi proses adiabatik, q=0;
- proses politropik - ini adalah proses paling umum yang menjelaskan semua proses termodinamika di atas, serta semua proses lain yang mungkin dilakukan dalam silinder dengan piston yang dapat digerakkan.
Selama pembuatan mesin panas pertama, mereka mencari siklus di mana Anda bisa mendapatkan efisiensi tertinggi(efisiensi). Sadi Carnot, menjelajahi totalitas proses termodinamika, dengan sengaja sampai pada pengembangan siklusnya sendiri, yang menerima namanya - siklus Carnot. Ini secara berurutan melakukan proses isotermal, kemudian proses kompresi adiabatik. Fluida kerja setelah melakukan proses-proses tersebut memiliki cadangan energi internal, tetapi siklusnya belum selesai, sehingga fluida kerja memuai dan melakukan proses ekspansi isotermal. Untuk menyelesaikan siklus dan kembali ke parameter awal fluida kerja, proses ekspansi adiabatik dilakukan.
Carnot membuktikan bahwa efisiensi dalam siklusnya mencapai maksimum dan hanya bergantung pada suhu kedua isoterm. Semakin tinggi perbedaan di antara mereka, semakin tinggi efisiensi termal. Usaha untuk membuat mesin kalor menurut siklus Carnot belum berhasil. Ini adalah siklus ideal yang tidak dapat dipenuhi. Tetapi dia membuktikan prinsip utama hukum kedua termodinamika tentang ketidakmungkinan mendapatkan pekerjaan yang sama dengan biaya energi panas. Sejumlah definisi dirumuskan untuk hukum kedua termodinamika, yang menjadi dasar Rudolf Clausius memperkenalkan konsep entropi. Kesimpulan utama dari penelitiannya adalah bahwa entropi terus meningkat, yang mengarah pada "kematian" termal.
Pencapaian terpenting Clausius adalah pemahaman tentang esensi proses adiabatik, ketika dilakukan, entropi fluida kerja tidak berubah. Oleh karena itu, menurut Clausius, proses adiabatik adalah s=konst. Di sini s adalah entropi, yang memberikan nama lain untuk proses yang dilakukan tanpa suplai atau penghilangan panas, proses isentropik. Ilmuwan sedang mencariseperti siklus mesin panas di mana tidak akan ada peningkatan entropi. Tapi, sayangnya, dia gagal melakukannya. Oleh karena itu, ia menyimpulkan bahwa mesin kalor tidak dapat diciptakan sama sekali.
Tapi tidak semua peneliti begitu pesimis. Mereka mencari siklus nyata untuk mesin panas. Sebagai hasil dari pencarian mereka, Nikolaus August Otto menciptakan siklus mesin panasnya sendiri, yang sekarang diimplementasikan pada mesin bensin. Di sini, proses adiabatik kompresi fluida kerja dan suplai panas isokhorik (pembakaran bahan bakar pada volume konstan) dilakukan, kemudian muncul ekspansi adiabatik (kerja yang dilakukan oleh fluida kerja dalam proses peningkatan volumenya) dan isokhorik. penghilangan panas. Mesin pembakaran internal pertama dari siklus Otto menggunakan gas yang mudah terbakar sebagai bahan bakar. Jauh kemudian, karburator ditemukan, yang mulai membuat campuran bensin-udara dari udara dengan uap bensin dan memasoknya ke silinder mesin.
Dalam siklus Otto, campuran yang mudah terbakar dikompresi, sehingga kompresinya relatif kecil - campuran yang mudah terbakar cenderung meledak (meledak ketika tekanan dan suhu kritis tercapai). Oleh karena itu, kerja selama proses kompresi adiabatik relatif kecil. Konsep lain diperkenalkan di sini: rasio kompresi adalah rasio total volume dengan volume kompresi.
Pencarian cara untuk meningkatkan efisiensi energi bahan bakar terus dilakukan. Peningkatan efisiensi terlihat pada peningkatan rasio kompresi. Rudolf Diesel mengembangkan siklusnya sendiri di mana panas disuplaipada tekanan konstan (dalam proses isobarik). Siklusnya membentuk dasar mesin yang menggunakan bahan bakar diesel (juga disebut bahan bakar diesel). Siklus Diesel tidak memampatkan campuran yang mudah terbakar, tetapi udara. Oleh karena itu, usaha dikatakan dilakukan dalam proses adiabatik. Temperatur dan tekanan pada akhir kompresi tinggi, sehingga bahan bakar diinjeksikan melalui injektor. Ini bercampur dengan udara panas, membentuk campuran yang mudah terbakar. Itu terbakar, sementara energi internal fluida kerja meningkat. Selanjutnya, ekspansi gas berjalan sepanjang adiabatik, langkah kerja dibuat.
Upaya untuk menerapkan siklus Diesel di mesin panas gagal, jadi Gustav Trinkler menciptakan siklus Trinkler gabungan. Ini digunakan dalam mesin diesel saat ini. Dalam siklus Trinkler, panas disuplai di sepanjang isokor dan kemudian di sepanjang isobar. Baru setelah itu dilakukan proses adiabatik pemuaian fluida kerja.
Dengan analogi dengan mesin panas bolak-balik, mesin turbin juga bekerja. Tetapi di dalamnya, proses penghilangan panas setelah selesainya ekspansi adiabatik yang berguna dari gas dilakukan di sepanjang isobar. Pada pesawat dengan mesin turbin gas dan turboprop, proses adiabatik terjadi dua kali: saat kompresi dan ekspansi.
Untuk mendukung semua konsep dasar dari proses adiabatik, rumus perhitungan diusulkan. Kuantitas penting muncul di sini, yang disebut eksponen adiabatik. Nilainya untuk gas diatomik (oksigen dan nitrogen adalah gas diatomik utama yang ada di udara) adalah 1,4.eksponen adiabatik, dua karakteristik yang lebih menarik digunakan, yaitu: kapasitas panas isobarik dan isokhorik dari fluida kerja. Rasio mereka k=Cp/Cv adalah eksponen adiabatik.
Mengapa proses adiabatik digunakan dalam siklus teoritis mesin kalor? Sebenarnya, proses politropik dilakukan, tetapi karena terjadi pada kecepatan tinggi, biasanya diasumsikan bahwa tidak ada pertukaran panas dengan lingkungan.
90% listrik dihasilkan oleh pembangkit listrik termal. Mereka menggunakan uap air sebagai fluida kerja. Itu diperoleh dengan air mendidih. Untuk meningkatkan potensi kerja uap, itu dipanaskan. Uap superheated kemudian diumpankan pada tekanan tinggi ke turbin uap. Proses adiabatik ekspansi uap juga terjadi di sini. Turbin menerima rotasi, itu ditransfer ke generator listrik. Itu, pada gilirannya, menghasilkan listrik bagi konsumen. Turbin uap beroperasi pada siklus Rankine. Idealnya, peningkatan efisiensi juga dikaitkan dengan peningkatan suhu dan tekanan uap air.
Seperti dapat dilihat dari atas, proses adiabatik sangat umum dalam produksi energi mekanik dan listrik.
