Ջերմային շարժիչ ստեղծելու համար, որը կարող է աշխատանք կատարել ջերմության միջոցով, պետք է որոշակի պայմաններ ստեղծել: Առաջին հերթին ջերմային շարժիչը պետք է աշխատի ցիկլային ռեժիմով, որտեղ մի շարք հաջորդական թերմոդինամիկական պրոցեսներ ստեղծում են ցիկլ։ Ցիկլի արդյունքում շարժական մխոցով մխոցում պարփակված գազն աշխատում է։ Բայց մեկ ցիկլը բավարար չէ պարբերաբար աշխատող մեքենայի համար, այն պետք է անընդհատ ցիկլեր կատարի որոշակի ժամանակով: Իրականում տվյալ ժամանակի ընթացքում կատարված ընդհանուր աշխատանքը՝ բաժանված ժամանակի վրա, տալիս է մեկ այլ կարևոր հասկացություն՝ ուժ։
19-րդ դարի կեսերին ստեղծվեցին առաջին ջերմային շարժիչները։ Նրանք աշխատում էին, բայց ծախսում էին վառելիքի այրումից ստացված մեծ քանակությամբ ջերմություն։ Հենց այդ ժամանակ տեսական ֆիզիկոսներն իրենց հարցեր տվեցին. «Ինչպե՞ս է գազն աշխատում ջերմային շարժիչում: Ինչպե՞ս ստանալ առավելագույն արդյունավետություն վառելիքի նվազագույն օգտագործմամբ»:
Գազային աշխատանքի վերլուծություն կատարելու համար անհրաժեշտ էր ներդնել սահմանումների և հասկացությունների մի ամբողջ համակարգ։ Բոլոր սահմանումների ամբողջությունը ստեղծեց մի ամբողջ գիտական ուղղություն, որը ստացավվերնագիր՝ «Տեխնիկական թերմոդինամիկա»: Թերմոդինամիկայի մեջ արվել են մի շարք ենթադրություններ, որոնք ոչ մի կերպ չեն շեղում հիմնական եզրակացությունները։ Աշխատանքային հեղուկը ժամանակավոր գազ է (բնության մեջ գոյություն չունի), որը կարող է սեղմվել մինչև զրոյական ծավալ, որի մոլեկուլները չեն փոխազդում միմյանց հետ։ Բնության մեջ կան միայն իրական գազեր, որոնք ունեն հստակ սահմանված հատկություններ, որոնք տարբերվում են իդեալական գազից:
Աշխատող հեղուկի դինամիկայի մոդելները դիտարկելու համար առաջարկվել են թերմոդինամիկայի օրենքները, որոնք նկարագրում են հիմնական թերմոդինամիկական գործընթացները, ինչպիսիք են՝
- իզոխորիկ պրոցեսը գործընթաց է, որն իրականացվում է առանց աշխատանքային հեղուկի ծավալը փոխելու։ Իզոխորիկ գործընթացի պայման, v=const;
- իզոբարային պրոցեսը գործընթաց է, որն իրականացվում է առանց աշխատանքային հեղուկի ճնշումը փոխելու: Իզոբարային գործընթացի պայման, P=const;
- իզոթերմային (իզոթերմ) պրոցեսը գործընթաց է, որն իրականացվում է ջերմաստիճանը տվյալ մակարդակում պահպանելով։ Իզոթերմային պրոցեսի պայման, T=const;
- ադիաբատիկ պրոցես (ադիաբատիկ, ինչպես այն անվանում են ժամանակակից ջերմային ինժեներները) գործընթաց է, որն իրականացվում է տիեզերքում՝ առանց շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակության։ Ադիաբատիկ պրոցեսի պայման, q=0;
- պոլիտրոպիկ գործընթաց. սա ամենաընդհանրացված գործընթացն է, որը նկարագրում է վերը նշված բոլոր թերմոդինամիկական գործընթացները, ինչպես նաև շարժական մխոցով մխոցում հնարավոր իրականացնել բոլոր մյուս պրոցեսները:
Առաջին ջերմային շարժիչների ստեղծման ժամանակ նրանք փնտրում էին մի ցիկլ, որտեղ դուք կարող եք ստանալ ամենաբարձր արդյունավետությունը(արդյունավետություն): Սադի Կարնոն, ուսումնասիրելով թերմոդինամիկական գործընթացների ամբողջությունը, քմահաճույքով եկավ իր սեփական ցիկլի զարգացմանը, որը ստացավ իր անունը՝ Կարնո ցիկլ: Այն հաջորդաբար կատարում է իզոթերմային, ապա ադիաբատիկ սեղմման գործընթաց։ Աշխատանքային հեղուկը այս պրոցեսները կատարելուց հետո ունի ներքին էներգիայի պաշար, բայց ցիկլը դեռ ավարտված չէ, ուստի աշխատանքային հեղուկը ընդլայնվում է և կատարում է իզոթերմային ընդարձակման գործընթաց։ Ցիկլը ավարտելու և աշխատանքային հեղուկի սկզբնական պարամետրերին վերադառնալու համար կատարվում է ադիաբատիկ ընդլայնման գործընթաց։
Կառնոն ապացուցեց, որ իր ցիկլում արդյունավետությունը հասնում է առավելագույնի և կախված է միայն երկու իզոթերմների ջերմաստիճանից։ Որքան մեծ է դրանց միջև եղած տարբերությունը, այնքան համապատասխանաբար բարձր է ջերմային արդյունավետությունը: Կարնո ցիկլի համաձայն ջերմային շարժիչ ստեղծելու փորձերը հաջողությամբ չեն պսակվել: Սա իդեալական ցիկլ է, որը հնարավոր չէ իրականացնել։ Բայց նա ապացուցեց թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հիմնական սկզբունքը ջերմային էներգիայի արժեքին հավասար աշխատանք ստանալու անհնարինության մասին։ Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի համար ձևակերպվեցին մի շարք սահմանումներ, որոնց հիման վրա Ռուդոլֆ Կլաուզիուսը ներկայացրեց էնտրոպիա հասկացությունը։ Նրա հետազոտության հիմնական եզրակացությունն այն է, որ էնտրոպիան անընդհատ աճում է, ինչը հանգեցնում է ջերմային «մահվան»:
Կլաուզիուսի ամենակարեւոր ձեռքբերումը ադիաբատիկ գործընթացի էության ըմբռնումն էր, երբ այն կատարվում է, աշխատանքային հեղուկի էնտրոպիան չի փոխվում։ Ուստի, ըստ Կլաուզիուսի, ադիաբատիկ պրոցեսը s=const է։ Այստեղ s-ն էնտրոպիան է, որն այլ անուն է տալիս առանց ջերմության մատակարարման կամ հեռացման կատարվող գործընթացին՝ իզենտրոպիկ գործընթացին: Գիտնականը փնտրում էրջերմային շարժիչի այնպիսի ցիկլ, որտեղ էնտրոպիայի աճ չի լինի: Բայց, ցավոք, դա նրան չհաջողվեց։ Հետևաբար, նա եզրակացրեց, որ ջերմային շարժիչ ընդհանրապես չի կարող ստեղծվել:
Բայց ոչ բոլոր հետազոտողներն էին այդքան հոռետեսական: Նրանք իրական ցիկլեր էին փնտրում ջերմային շարժիչների համար։ Նրանց որոնումների արդյունքում Նիկոլաուս Ավգուստ Օտտոն ստեղծեց ջերմային շարժիչի իր ցիկլը, որն այժմ իրականացվում է բենզինային շարժիչներում։ Այստեղ կատարվում է աշխատանքային հեղուկի սեղմման ադիաբատիկ պրոցեսը և իզոխորիկ ջերմամատակարարումը (վառելիքի այրումը հաստատուն ծավալով), այնուհետև առաջանում է ադիաբատիկ ընդլայնումը (աշխատանքը կատարվում է աշխատանքային հեղուկի կողմից ծավալը մեծացնելու գործընթացում) և իզոխորիկ։ ջերմության հեռացում. Օտտո ցիկլի առաջին ներքին այրման շարժիչները որպես վառելիք օգտագործում էին այրվող գազեր։ Շատ ավելի ուշ հայտնագործվեցին կարբյուրատորները, որոնք սկսեցին բենզինի գոլորշիներով օդի բենզին-օդ խառնուրդներ ստեղծել և դրանք մատակարարել շարժիչի բալոնին։
Օտտո ցիկլում այրվող խառնուրդը սեղմվում է, ուստի դրա սեղմումը համեմատաբար փոքր է. այրվող խառնուրդը հակված է պայթելու (պայթել, երբ հասնում են կրիտիկական ճնշումների և ջերմաստիճանի): Հետեւաբար, աշխատանքը ադիաբատիկ սեղմման գործընթացում համեմատաբար փոքր է: Այստեղ ներկայացվում է մեկ այլ հայեցակարգ. սեղմման հարաբերակցությունը ընդհանուր ծավալի հարաբերակցությունն է սեղմման ծավալին։
Վառելիքի էներգաարդյունավետության բարձրացման ուղիների որոնումը շարունակվեց: Արդյունավետության աճը նկատվեց սեղմման հարաբերակցության բարձրացման մեջ: Ռուդոլֆ Դիզելը մշակել է իր սեփական ցիկլը, որի ընթացքում ջերմություն է մատակարարվումմշտական ճնշման դեպքում (իզոբարային գործընթացում): Նրա ցիկլը հիմք է հանդիսացել դիզելային վառելիք օգտագործող շարժիչների համար (այն նաև կոչվում է դիզելային վառելիք): Դիզելի ցիկլը սեղմում է ոչ թե այրվող խառնուրդը, այլ օդը: Հետևաբար, ասում են, որ աշխատանքը կատարվում է ադիաբատիկ գործընթացում: Սեղմման վերջում ջերմաստիճանը և ճնշումը բարձր են, ուստի վառելիքը ներարկվում է ներարկիչների միջոցով: Այն խառնվում է տաք օդի հետ, առաջացնում է այրվող խառնուրդ։ Այն այրվում է, մինչդեռ աշխատող հեղուկի ներքին էներգիան մեծանում է։ Այնուհետև, գազի ընդլայնումն ընթանում է ադիաբատիկ երկայնքով, կատարվում է աշխատանքային հարված։
Ջերմային շարժիչներում Դիզելային ցիկլը իրականացնելու փորձը ձախողվեց, ուստի Գուստավ Տրինկլերը ստեղծեց Trinkler-ի համակցված ցիկլը: Այն օգտագործվում է այսօրվա դիզելային շարժիչներում: Տրինկլերի ցիկլում ջերմությունը մատակարարվում է իզոխորի երկայնքով, այնուհետև իզոբարի երկայնքով: Դրանից հետո միայն կատարվում է աշխատանքային հեղուկի ընդլայնման ադիաբատիկ պրոցեսը։
Միջոցառվող ջերմային շարժիչների համեմատությամբ գործում են նաև տուրբինային շարժիչները: Բայց դրանցում ջերմության հեռացման գործընթացը գազի օգտակար ադիաբատիկ ընդլայնման ավարտից հետո իրականացվում է իզոբարի երկայնքով։ Գազի տուրբինով և տուրբոպրոպային շարժիչներով ինքնաթիռներում ադիաբատիկ պրոցեսը տեղի է ունենում երկու անգամ՝ սեղմման և ընդարձակման ժամանակ։
Ադիաբատիկ գործընթացի բոլոր հիմնարար հասկացությունները հիմնավորելու համար առաջարկվել են հաշվարկման բանաձևեր։ Այստեղ հայտնվում է մի կարևոր մեծություն, որը կոչվում է ադիաբատիկ ցուցիչ։ Նրա արժեքը երկատոմային գազի համար (թթվածինը և ազոտը օդում առկա հիմնական երկատոմային գազերն են) 1,4 է: Հաշվարկելու համարադիաբատիկ ցուցիչը օգտագործվում է ևս երկու հետաքրքիր բնութագրիչ, այն է՝ աշխատանքային հեղուկի իզոբարային և իզոխորային ջերմային հզորությունները։ Նրանց k=Cp/Cv հարաբերակցությունը ադիաբատիկ ցուցիչն է։
Ինչու է ադիաբատիկ գործընթացն օգտագործվում ջերմային շարժիչների տեսական ցիկլերում: Իրականում կատարվում են պոլիտրոպային պրոցեսներ, բայց ելնելով այն բանից, որ դրանք տեղի են ունենում մեծ արագությամբ, ընդունված է ենթադրել, որ շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակություն չկա։
Էլեկտրաէներգիայի
90%-ը արտադրվում է ՋԷԿ-երի կողմից։ Որպես աշխատանքային հեղուկ նրանք օգտագործում են ջրի գոլորշիներ։ Ստացվում է եռացող ջրով։ Գոլորշու աշխատանքային ներուժը մեծացնելու համար այն գերտաքացվում է։ Այնուհետև գերտաքացած գոլորշին բարձր ճնշման տակ սնվում է գոլորշու տուրբին: Այստեղ տեղի է ունենում նաև գոլորշու ընդլայնման ադիաբատիկ պրոցեսը։ Տուրբինը ստանում է ռոտացիա, այն տեղափոխվում է էլեկտրական գեներատոր։ Դա իր հերթին էլեկտրաէներգիա է արտադրում սպառողների համար։ Գոլորշի տուրբինները գործում են Rankine ցիկլով: Իդեալում, արդյունավետության բարձրացումը կապված է նաև ջրի գոլորշու ջերմաստիճանի և ճնշման բարձրացման հետ:
Ինչպես երևում է վերը նշվածից, ադիաբատիկ գործընթացը շատ տարածված է մեխանիկական և էլեկտրական էներգիայի արտադրության մեջ:
