Para construir un motor térmico que pueda realizar un trabajo mediante el uso de calor, debe crear ciertas condiciones. En primer lugar, una máquina térmica debe operar en un modo cíclico, donde una serie de procesos termodinámicos sucesivos crean un ciclo. Como resultado del ciclo, el gas encerrado en un cilindro con un pistón móvil funciona. Pero un ciclo no es suficiente para una máquina que opera periódicamente, debe realizar ciclos una y otra vez durante un cierto tiempo. El trabajo total realizado durante un tiempo dado en realidad, dividido por el tiempo, da otro concepto importante: potencia.
A mediados del siglo XIX se crearon los primeros motores térmicos. Trabajaban, pero gastaban una gran cantidad de calor obtenido de la combustión del combustible. Fue entonces cuando los físicos teóricos se hicieron preguntas: “¿Cómo funciona el gas en un motor térmico? ¿Cómo obtener el máximo rendimiento con el mínimo consumo de combustible?”
Para realizar un análisis de trabajo de gas, fue necesario introducir todo un sistema de definiciones y conceptos. La totalidad de todas las definiciones creó una dirección científica completa, que recibiótítulo: "Termodinámica técnica". En termodinámica, se han hecho una serie de suposiciones que de ninguna manera restan valor a las conclusiones principales. El fluido de trabajo es un gas efímero (que no existe en la naturaleza), que se puede comprimir a volumen cero, cuyas moléculas no interactúan entre sí. En la naturaleza, solo existen gases reales que tienen propiedades bien definidas que las diferencian de un gas ideal.
Para considerar modelos de la dinámica del fluido de trabajo, se propusieron las leyes de la termodinámica, describiendo los principales procesos termodinámicos, tales como:
- proceso isocórico es un proceso que se realiza sin cambiar el volumen del fluido de trabajo. Condición de proceso isocórica, v=const;
- proceso isobárico es un proceso que se realiza sin cambiar la presión en el fluido de trabajo. Condición de proceso isobárica, P=const;
- El proceso isotérmico (isotérmico) es un proceso que se realiza manteniendo la temperatura en un nivel determinado. Condición de proceso isotérmica, T=const;
- proceso adiabático (adiabático, como lo llaman los ingenieros de calor modernos) es un proceso realizado en el espacio sin intercambio de calor con el medio ambiente. Condición de proceso adiabática, q=0;
- proceso politrópico: este es el proceso más generalizado que describe todos los procesos termodinámicos anteriores, así como todos los demás posibles de realizar en un cilindro con un pistón móvil.
El
Durante la creación de los primeros motores térmicos, buscaban un ciclo en el que se pudiera obtener la máxima eficiencia(eficiencia). Sadi Carnot, explorando la totalidad de los procesos termodinámicos, por capricho llegó al desarrollo de su propio ciclo, que recibió su nombre: el ciclo de Carnot. Realiza secuencialmente un proceso de compresión isotérmica y luego adiabática. El fluido de trabajo después de realizar estos procesos tiene una reserva de energía interna, pero el ciclo aún no se completa, por lo que el fluido de trabajo se expande y realiza un proceso de expansión isotérmico. Para completar el ciclo y volver a los parámetros originales del fluido de trabajo, se realiza un proceso de expansión adiabática.
Carnot demostró que la eficiencia en su ciclo alcanza un máximo y depende únicamente de las temperaturas de las dos isotermas. Cuanto mayor sea la diferencia entre ellos, la eficiencia térmica correspondientemente mayor. Los intentos de crear una máquina térmica según el ciclo de Carnot no han tenido éxito. Este es un ciclo ideal que no se puede cumplir. Pero demostró el principio fundamental de la segunda ley de la termodinámica sobre la imposibilidad de obtener un trabajo igual al costo de la energía térmica. Se formularon varias definiciones para la segunda ley de la termodinámica, sobre la base de las cuales Rudolf Clausius introdujo el concepto de entropía. La principal conclusión de su investigación es que la entropía aumenta constantemente, lo que conduce a la "muerte" térmica.
El logro más importante de Clausius fue la comprensión de la esencia del proceso adiabático, cuando se realiza, la entropía del fluido de trabajo no cambia. Por tanto, según Clausius, el proceso adiabático es s=const. Aquí s es la entropía, que da otro nombre al proceso realizado sin suministro o eliminación de calor, el proceso isoentrópico. El científico estaba buscandotal ciclo de un motor térmico donde no habría aumento en la entropía. Pero, desafortunadamente, no lo hizo. Por lo tanto, dedujo que no se puede crear una máquina térmica en absoluto.
Pero no todos los investigadores eran tan pesimistas. Estaban buscando ciclos reales para motores térmicos. Como resultado de su búsqueda, Nikolaus August Otto creó su propio ciclo del motor térmico, que ahora se implementa en los motores de gasolina. Aquí, se realiza el proceso adiabático de compresión del fluido de trabajo y el suministro de calor isocórico (combustión de combustible a un volumen constante), luego aparece la expansión adiabática (el fluido de trabajo realiza trabajo en el proceso de aumentar su volumen) y isocórico eliminación de calor Los primeros motores de combustión interna del ciclo Otto utilizaban gases combustibles como combustible. Mucho más tarde, se inventaron los carburadores, que comenzaron a crear mezclas de aire y gasolina con vapores de gasolina y suministrarlos al cilindro del motor.
En el ciclo Otto, la mezcla combustible se comprime, por lo que su compresión es relativamente pequeña: la mezcla combustible tiende a detonar (explotar cuando se alcanzan presiones y temperaturas críticas). Por lo tanto, el trabajo durante el proceso de compresión adiabática es relativamente pequeño. Aquí se introduce otro concepto: la relación de compresión es la relación entre el volumen total y el volumen de compresión.
Continuó la búsqueda de formas de aumentar la eficiencia energética del combustible. Se vio un aumento en la eficiencia en un aumento en la relación de compresión. Rudolf Diesel desarrolló su propio ciclo en el que se suministra calora presión constante (en proceso isobárico). Su ciclo formó la base de los motores que utilizan combustible diesel (también se le llama combustible diesel). El ciclo Diesel no comprime la mezcla combustible, sino aire. Por lo tanto, se dice que se realiza trabajo en un proceso adiabático. La temperatura y la presión al final de la compresión son altas, por lo que se inyecta combustible a través de los inyectores. Se mezcla con aire caliente, forma una mezcla combustible. Se quema, mientras que aumenta la energía interna del fluido de trabajo. Además, la expansión del gas va a lo largo de la adiabática, se realiza una carrera de trabajo.
El intento de implementar el ciclo diésel en los motores térmicos fracasó, por lo que Gustav Trinkler creó el ciclo Trinkler combinado. Se utiliza en los motores diésel actuales. En el ciclo de Trinkler, el calor se suministra a lo largo de la isocora y luego a lo largo de la isobara. Solo después de eso, se lleva a cabo el proceso adiabático de expansión del fluido de trabajo.
Por analogía con los motores térmicos alternativos, los motores de turbina también funcionan. Pero en ellos, el proceso de eliminación de calor después de completar la expansión adiabática útil del gas se lleva a cabo a lo largo de la isobara. En aeronaves con turbinas de gas y motores turbohélice, el proceso adiabático ocurre dos veces: durante la compresión y la expansión.
Para fundamentar todos los conceptos fundamentales del proceso adiabático, se propusieron fórmulas de cálculo. Aquí aparece una cantidad importante, llamada exponente adiabático. Su valor para un gas diatómico (el oxígeno y el nitrógeno son los principales gases diatómicos presentes en el aire) es 1,4.el exponente adiabático, se utilizan dos características más interesantes, a saber: las capacidades caloríficas isobáricas e isocóricas del fluido de trabajo. Su relación k=Cp/Cv es el exponente adiabático.
¿Por qué se utiliza el proceso adiabático en los ciclos teóricos de las máquinas térmicas? De hecho, se realizan procesos politrópicos, pero debido a que ocurren a gran velocidad, se acostumbra suponer que no hay intercambio de calor con el medio ambiente.
90% de la electricidad es generada por centrales térmicas. Utilizan vapor de agua como fluido de trabajo. Se obtiene hirviendo agua. Para aumentar el potencial de trabajo del vapor, se sobrecalienta. Luego, el vapor sobrecalentado se alimenta a alta presión a una turbina de vapor. Aquí también tiene lugar el proceso adiabático de expansión del vapor. La turbina recibe rotación, se transfiere a un generador eléctrico. Eso, a su vez, genera electricidad para los consumidores. Las turbinas de vapor operan en el ciclo de Rankine. Idealmente, el aumento de la eficiencia también se asocia con un aumento de la temperatura y la presión del vapor de agua.
Como se puede ver en lo anterior, el proceso adiabático es muy común en la producción de energía mecánica y eléctrica.
