Para construir uma máquina térmica que possa realizar trabalho usando calor, você precisa criar certas condições. Em primeiro lugar, uma máquina térmica deve operar em modo cíclico, onde uma série de processos termodinâmicos sucessivos criam um ciclo. Como resultado do ciclo, o gás contido em um cilindro com pistão móvel realiza trabalho. Mas um ciclo não é suficiente para uma máquina que opera periodicamente; ela deve realizar ciclos repetidamente por um certo tempo. O trabalho total realizado durante um determinado tempo na realidade, dividido pelo tempo, dá outro conceito importante - poder.
Em meados do século XIX, foram criados os primeiros motores térmicos. Eles trabalharam, mas gastaram uma grande quantidade de calor obtido da combustão do combustível. Foi então que os físicos teóricos se fizeram perguntas: “Como funciona o gás em uma máquina térmica? Como obter o máximo desempenho com o mínimo de consumo de combustível?”
Para realizar uma análise do trabalho com gás, foi necessário introduzir todo um sistema de definições e conceitos. A totalidade de todas as definições criou toda uma direção científica, que recebeutítulo: "Termodinâmica técnica". Na termodinâmica, foram feitas várias suposições que de forma alguma prejudicam as principais conclusões. O fluido de trabalho é um gás efêmero (não existente na natureza), que pode ser comprimido a volume zero, cujas moléculas não interagem entre si. Na natureza, existem apenas gases reais que possuem propriedades bem definidas que são diferentes de um gás ideal.
Para considerar modelos da dinâmica do fluido de trabalho, foram propostas as leis da termodinâmica, descrevendo os principais processos termodinâmicos, tais como:
- processo isocórico é um processo que é realizado sem alterar o volume do fluido de trabalho. Condição de processo isocórica, v=const;
- processo isobárico é um processo que é realizado sem alterar a pressão no fluido de trabalho. Condição de processo isobárica, P=const;
- processo isotérmico (isotérmico) é um processo que é realizado mantendo a temperatura em um determinado nível. Condição de processo isotérmico, T=const;
- processo adiabático (adiabático, como os engenheiros de calor modernos o chamam) é um processo realizado no espaço sem troca de calor com o meio ambiente. Condição de processo adiabática, q=0;
- processo politrópico - este é o processo mais generalizado que descreve todos os processos termodinâmicos acima, bem como todos os outros possíveis de realizar em um cilindro com pistão móvel.
Durante a criação dos primeiros motores térmicos, eles procuravam um ciclo no qual você pudesse obter a maior eficiência(eficiência). Sadi Carnot, explorando a totalidade dos processos termodinâmicos, por capricho chegou ao desenvolvimento de seu próprio ciclo, que recebeu seu nome - o ciclo de Carnot. Ele executa sequencialmente um processo de compressão isotérmico e, em seguida, adiabático. O fluido de trabalho após realizar esses processos tem uma reserva de energia interna, mas o ciclo ainda não está completo, então o fluido de trabalho se expande e realiza um processo de expansão isotérmica. Para completar o ciclo e retornar aos parâmetros originais do fluido de trabalho, é realizado um processo de expansão adiabática.
Carnot provou que a eficiência em seu ciclo atinge um máximo e depende apenas das temperaturas das duas isotérmicas. Quanto maior a diferença entre eles, a eficiência térmica correspondentemente maior. Tentativas de criar uma máquina térmica de acordo com o ciclo de Carnot não foram bem sucedidas. Este é um ciclo ideal que não pode ser cumprido. Mas ele provou o princípio principal da segunda lei da termodinâmica sobre a impossibilidade de obter trabalho igual ao custo da energia térmica. Várias definições foram formuladas para a segunda lei da termodinâmica, com base nas quais Rudolf Clausius introduziu o conceito de entropia. A principal conclusão de sua pesquisa é que a entropia está aumentando constantemente, o que leva à "morte" térmica.
A conquista mais importante de Clausius foi a compreensão da essência do processo adiabático, quando realizado, a entropia do fluido de trabalho não muda. Portanto, de acordo com Clausius, o processo adiabático é s=const. Aqui s é a entropia, que dá outro nome ao processo realizado sem o fornecimento ou remoção de calor, o processo isentrópico. O cientista estava procurandotal ciclo de uma máquina térmica onde não haveria aumento na entropia. Mas, infelizmente, ele não conseguiu fazê-lo. Portanto, ele deduziu que uma máquina térmica não pode ser criada.
Mas nem todos os pesquisadores foram tão pessimistas. Eles estavam procurando por ciclos reais para motores térmicos. Como resultado de sua pesquisa, Nikolaus August Otto criou seu próprio ciclo do motor térmico, que agora é implementado em motores a gasolina. Aqui, o processo adiabático de compressão do fluido de trabalho e fornecimento de calor isocórico (combustão de combustível a volume constante) são realizados, então aparece a expansão adiabática (trabalho é feito pelo fluido de trabalho no processo de aumentar seu volume) e isocórico remoção de calor. Os primeiros motores de combustão interna do ciclo Otto usavam gases combustíveis como combustível. Muito mais tarde, os carburadores foram inventados, que começaram a criar misturas de ar-gasolina com vapores de gasolina e fornecê-los ao cilindro do motor.
No ciclo Otto, a mistura combustível é comprimida, então sua compressão é relativamente pequena - a mistura combustível tende a detonar (explodir quando pressões e temperaturas críticas são atingidas). Portanto, o trabalho durante o processo de compressão adiabática é relativamente pequeno. Outro conceito é introduzido aqui: a taxa de compressão é a razão entre o volume total e o volume de compressão.
A busca por formas de aumentar a eficiência energética dos combustíveis continuou. Um aumento na eficiência foi visto em um aumento na taxa de compressão. Rudolf Diesel desenvolveu seu próprio ciclo no qual o calor é fornecidoa pressão constante (em processo isobárico). Seu ciclo formou a base de motores a diesel (também chamado de diesel). O ciclo Diesel não comprime a mistura combustível, mas o ar. Portanto, diz-se que o trabalho é realizado em um processo adiabático. A temperatura e a pressão no final da compressão são altas, então o combustível é injetado através dos injetores. Mistura-se com o ar quente, forma uma mistura combustível. Ele queima, enquanto a energia interna do fluido de trabalho aumenta. Além disso, a expansão do gás segue a adiabática, um curso de trabalho é feito.
A tentativa de implementar o ciclo Diesel em motores térmicos falhou, então Gustav Trinkler criou o ciclo Trinkler combinado. É usado nos motores a diesel de hoje. No ciclo Trinkler, o calor é fornecido ao longo da isócora e depois ao longo da isóbara. Só depois disso é realizado o processo adiabático de expansão do fluido de trabalho.
Por analogia com motores térmicos alternativos, os motores de turbina também funcionam. Mas neles, o processo de remoção de calor após a conclusão da expansão adiabática útil do gás é realizado ao longo da isóbara. Em aeronaves com turbina a gás e motores turboélice, o processo adiabático ocorre duas vezes: durante a compressão e a expansão.
Para fundamentar todos os conceitos fundamentais do processo adiabático, foram propostas fórmulas de cálculo. Uma quantidade importante aparece aqui, chamada de expoente adiabático. Seu valor para um gás diatômico (oxigênio e nitrogênio são os principais gases diatômicos presentes no ar) é 1,4.o expoente adiabático, mais duas características interessantes são usadas, a saber: as capacidades térmicas isobáricas e isocóricas do fluido de trabalho. Sua razão k=Cp/Cv é o expoente adiabático.
Por que o processo adiabático é usado nos ciclos teóricos das máquinas térmicas? De fato, processos politrópicos são realizados, mas devido ao fato de ocorrerem em alta velocidade, costuma-se supor que não há troca de calor com o ambiente.
90% da eletricidade é gerada por usinas termelétricas. Eles usam vapor de água como fluido de trabalho. É obtido fervendo a água. Para aumentar o potencial de trabalho do vapor, ele é superaquecido. O vapor superaquecido é então alimentado em alta pressão para uma turbina a vapor. O processo adiabático de expansão a vapor também ocorre aqui. A turbina recebe rotação, é transferida para um gerador elétrico. Isso, por sua vez, gera eletricidade para os consumidores. As turbinas a vapor operam no ciclo Rankine. Idealmente, o aumento da eficiência também está associado ao aumento da temperatura e pressão do vapor d'água.
Como pode ser visto acima, o processo adiabático é muito comum na produção de energia mecânica e elétrica.
