Що таке адіабатичний процес?
Щоб побудувати теплову машину, яка може виконувати роботу за рахунок використання теплоти, необхідно створити певні умови. Перш за все, теплова машина належна працювати в циклічному режимі, де ряд послідовних термодинамічних процесів створюють цикл. В результаті вчинення циклу газ, укладений в циліндр з рухомим поршнем, здійснює роботу. Але одного циклу для періодично діючої машини мало, вона повинна виконувати цикли раз за разом протягом певного часу. Сумарна робота, виконана протягом заданого часу в реальності, поділена на час дає ще одне важливе поняття - потужність.
У середині XIX століття були створені перші теплові машини. Вони виробляли роботу, але витрачали велику кількість теплоти, одержуваної при згорянні палива. Саме тоді фізики-теоретики задалися питаннями: «Як газ працює в тепловій машині? Як отримати максимум роботи при мінімумі використання палива? »
Щоб виконати аналіз роботи газом, знадобилося ввести цілу систему визначень і понять. Сукупність усіх визначень і створила цілий науковий напрям, отримав назву: «Технічна термодинаміка». У термодинаміки був прийнятий ряд припущень, анітрохи не применшують основні висновки. Робоче тіло - ефемерний газ (що не існує в природі), який може бути стиснутий до нульового об'єму, молекули якого не взаємодіють між собою. У навколишній природі існують тільки реальні гази, які мають цілком певні властивості, відмітні від ідеального газу.
Щоб розглядати моделі динаміки робочого тіла, були запропоновані закони термодинаміки, що описують основні термодинамічні процеси, такі як:
- ізохорний процес - це процес, який виконується без зміни обсягу робочого тіла. Умова ізохоричного процесу, v = const;
- ізобарний процес - це процес, який виконується без зміни тиску в робочому тілі. Умова ізобарного процесу, P = const;
- ізотермічний (ізотермний) процес - це процес, який виконується при збереженні температури на заданому рівні. Умова ізотермічного процесу, T = const;
- адіабатичний процес (Адіабатний, так його називають сучасні теплотехніки) - це процес, який чинять в просторі без обміну теплотою з навколишнім середовищем. Умова адіабатичного процесу, q = 0;
- політропний процес - це самий узагальнений процес, який описує всі названі вище термодинамічні процеси, а також всі інші можливі для вчинення в циліндрі з рухомим поршнем.
У період створення перших теплових машин шукали цикл, в якому можна отримати найвищий ККД (коефіцієнт корисної дії). Сади Карно, досліджуючи сукупність термодинамічних процесів, з натхнення прийшов до розробки свого циклу, який отримав його ім'я - цикл Карно. У ньому послідовно виконуються ізотермічний, потім адіабатичний процес стиснення. Робоче тіло після виконання цих процесів володіє запасом внутрішньої енергії, але цикл ще не завершений, тому робоче тіло розширюється і виконує ізотермічний процес розширення. Щоб закінчити цикл і повернутися до вихідних параметрів робочого тіла, виконується адіабатичний процес розширення.
Карно довів, що ККД в його циклі досягає максимуму і залежить тільки від температур двох ізотерм. Чим вище різниця між ними, тим, відповідно, вище термічний ККД. Спроби створити теплову машину по циклу Карно так і не увінчалися успіхом. Це ідеальний цикл, який виконати не можна. Але він довів головний принцип другого початку термодинаміки про неможливість отримання роботи, рівної витратам теплової енергії. Було сформульовано ряд визначень другому початку (закону) термодинаміки, на підставі яких Рудольф Клаузіус ввів поняття ентропії. Головний висновок його досліджень - ентропія постійно зростає, що веде до теплової «смерті».
Найголовнішим досягненням Клаузиуса стало розуміння суті адіабатичного процесу, при його виконанні ентропія робочого тіла не змінюється. Тому адіабатичний процес по Клаузиусу - це s = const. Тут s - це ентропія, яка дає ще одну назву процесу, здійснюваного без підведення або відведення теплоти, - ізоентропійний процес. Вчений займався пошуком такого циклу теплової машини, де не відбувалося б збільшення ентропії. Але, на жаль, такого він створити не зумів. Тому вивів, що теплова машина не може бути створена взагалі.
Але не всі дослідники були налаштовані так песимістично. Вони шукали реальні цикли для теплових машин. В результаті їх пошуків Ніколаус Август Отто створив свій цикл теплової машини, який сьогодні реалізується в двигунах, що працюють на бензині. Тут виконуються адіабатичний процес стиснення робочого тіла і ізохорний підведення теплоти (згоряння палива при постійному обсязі), потім з'являються адіабата розширення (робота здійснюється робочим тілом в процесі збільшення його обсягу) і ізохорний відведення теплоти. Перші двигуни внутрішнього згоряння за циклом Отто використовували як паливо горючі гази. Багато пізніше були придумані карбюратори, які стали створювати бензоповітряна суміші повітря з парами бензину і подавати їх в циліндр двигуна.
У циклі Отто стискається горюча суміш, тому величина стиснення її порівняно невелика - горюча суміш має схильність детонувати (вибухати при досягненні критичних тисків і температур). Тому робота при адіабатичному процесі стиснення порівняно невелика. Тут введено ще одне поняття: ступінь стиснення - відношення повного об'єму до об'єму стиснення.
Пошук шляхів збільшення ефективності використання енергії палива продовжувався. Збільшення ККД бачили у підвищенні ступеня стиснення. Рудольф Дизель розробив свій цикл, в якому підведення теплоти здійснюється при постійному тиску (в изобарном процесі). Його цикл ліг в основу двигунів, що використовують дизельне паливо (його ще називають соляркою). У циклі Дизеля стискається НЕ горюча суміш, а повітря. Тому кажуть, що відбувається робота в адіабатичному процесі. Температура і тиск в кінці стиснення високі, тому через форсунки здійснюється уприскування палива. Воно перемішується з гарячим повітрям, утворює горючу суміш. Вона згорає, при цьому збільшується внутрішня енергія робочого тіла. Далі розширення газу йде по адіабаті, відбувається робочий хід.
Спроба реалізувати цикл Дизеля в теплових машинах не вдалася, тому Густав Трінклер створив комбінований цикл Тринклера. Його і використовують в сьогоднішніх дизельних двигунах. У циклі Тринклера теплота підводиться по Ізохор, а потім по ізобарі. Тільки після цього виконується адіабатичний процес розширення робочого тіла.
За аналогією з поршневими тепловими машинами працюють і турбінні. Але в них процес відведення теплоти по завершенні корисного адіабатичного розширення газу виконується за ізобарі. На літаках з газотурбінним і турбогвинтових двигунів адіабатичний процес відбувається двічі: при стисненні і розширенні.
Щоб обгрунтувати всі основоположні поняття адіабатичного процесу, були запропоновані розрахункові формули. Тут фігурує важлива величина, що отримала назву показник адіабати. Його значення для двоатомних газу (кисень і азот - це основні двоатомні гази, наявні в повітрі) дорівнює 1,4. Для розрахунку показника адіабати використовуються ще дві цікаві характеристики, а саме: ізобарна і ізохорно теплоємності робочого тіла. Ставлення їх k = Cp / Cv - і є показник адіабати.
Чому в теоретичних циклах теплових машин використовується адіабатичний процес? Насправді виконуються Політропний процеси, але через те, що вони відбуваються з високою швидкістю, прийнято припускати відсутність теплообміну з навколишнім середовищем.
90% електроенергії виробляється на теплових електростанціях. У них в якості робочого тіла використовується водяна пара. Його отримують при кипінні води. Щоб підвищити робочий потенціал пари, його перегрівають. Потім при високому тиску перегріта пара подається на парову турбіну. Тут також відбувається адіабатичний процес розширення пара. Турбіна отримує обертання, його передають на електрогенератор. Той, у свою чергу, виробляє електроенергію для споживачів. Парові турбіни працюють по циклу Ренкіна. В ідеалі підвищення ефективності також пов'язано зі збільшенням температури і тиску водяної пари.
Як видно з викладеного, Адіабатний процес є досить поширеним у виробництві механічної та електричної енергій.