Để chế tạo một động cơ nhiệt có thể hoạt động bằng cách sử dụng nhiệt, bạn cần tạo ra một số điều kiện nhất định. Trước hết, động cơ nhiệt phải hoạt động theo chế độ tuần hoàn, ở đó một chuỗi các quá trình nhiệt động nối tiếp nhau tạo nên một chu trình. Theo kết quả của chu trình, khí được bao bọc trong một xi lanh với một pít tông chuyển động được thực hiện. Nhưng một chu kỳ là không đủ cho một máy vận hành định kỳ, nó phải thực hiện lặp đi lặp lại các chu kỳ trong một thời gian nhất định. Tổng công việc được thực hiện trong một thời gian nhất định trên thực tế, chia cho thời gian, đưa ra một khái niệm quan trọng khác - quyền lực.
Vào giữa thế kỷ 19, những động cơ nhiệt đầu tiên đã được tạo ra. Chúng đã hoạt động, nhưng tiêu tốn một lượng lớn nhiệt thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Khi đó, các nhà vật lý lý thuyết tự đặt câu hỏi: “Làm thế nào để khí hoạt động trong động cơ nhiệt? Làm thế nào để đạt được hiệu suất tối đa với mức sử dụng nhiên liệu tối thiểu?”
Để thực hiện phân tích công việc khí, cần phải đưa ra một hệ thống toàn bộ các định nghĩa và khái niệm. Tổng thể của tất cả các định nghĩa đã tạo ra một hướng khoa học hoàn chỉnh, đã nhận được title: "Nhiệt động lực học kỹ thuật". Trong nhiệt động lực học, một số giả thiết đã được đưa ra mà không làm giảm đi các kết luận chính. Chất lưu hoạt động là một chất khí phù du (không tồn tại trong tự nhiên), có thể được nén đến thể tích bằng không, các phân tử của chúng không tương tác với nhau. Trong tự nhiên, chỉ có những khí thực mới có những đặc tính rõ ràng khác với khí lý tưởng.
Để xem xét các mô hình về động lực học của chất lỏng làm việc, các định luật nhiệt động lực học đã được đề xuất, mô tả các quá trình nhiệt động lực học chính, chẳng hạn như:
- quá trình đẳng tích là một quá trình được thực hiện mà không làm thay đổi thể tích của chất lỏng làm việc. Điều kiện quá trình đẳng tích, v=const;
- quá trình đẳng áp là một quá trình được thực hiện mà không làm thay đổi áp suất trong chất lỏng làm việc. Điều kiện quy trình đẳng cấp, P=const;
- đẳng nhiệt (đẳng nhiệt) là một quá trình được thực hiện trong khi duy trì nhiệt độ ở một mức nhất định. Điều kiện quá trình đẳng nhiệt, T=const;
- quy trình đoạn nhiệt (đoạn nhiệt, như cách gọi của các kỹ sư nhiệt hiện đại) là một quá trình được thực hiện trong không gian mà không có sự trao đổi nhiệt với môi trường. Điều kiện quy trình đoạn nhiệt, q=0;
- quá trình đa hướng - đây là quá trình tổng quát nhất mô tả tất cả các quá trình nhiệt động lực học ở trên, cũng như tất cả các quá trình khác có thể thực hiện trong một xi lanh có pít-tông chuyển động được.
Trong quá trình tạo ra động cơ nhiệt đầu tiên, họ đã tìm kiếm một chu trình mà bạn có thể đạt được hiệu quả cao nhất(hiệu quả). Sadi Carnot, khi khám phá tính tổng thể của các quá trình nhiệt động lực học, đã đi đến sự phát triển của chu trình của riêng mình, chu trình này đã nhận được tên của ông - chu trình Carnot. Nó tuần tự thực hiện quá trình đẳng nhiệt, sau đó là quá trình nén đoạn nhiệt. Chất lỏng công tác sau khi thực hiện các quá trình này có nội năng dự trữ nhưng chu trình chưa hoàn thành nên chất lỏng công tác nở ra và thực hiện quá trình giãn nở đẳng nhiệt. Để hoàn thành chu trình và trở về các thông số ban đầu của chất lỏng làm việc, quá trình mở rộng đoạn nhiệt được thực hiện.
Carnot đã chứng minh rằng hiệu suất trong chu trình của ông đạt cực đại và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của hai đường đẳng nhiệt. Sự khác biệt giữa chúng càng cao thì hiệu suất nhiệt tương ứng càng cao. Nỗ lực tạo ra động cơ nhiệt theo chu trình Carnot đã không thành công. Đây là một chu kỳ lý tưởng không thể thực hiện được. Nhưng ông đã chứng minh nguyên lý chính của định luật thứ hai của nhiệt động lực học về khả năng không thể đạt được công bằng chi phí nhiệt năng. Một số định nghĩa đã được xây dựng cho định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trên cơ sở đó Rudolf Clausius đưa ra khái niệm entropi. Kết luận chính trong nghiên cứu của ông là entropi không ngừng tăng lên, dẫn đến "cái chết" do nhiệt.
Thành tựu quan trọng nhất của Clausius là sự hiểu biết về bản chất của quá trình đoạn nhiệt, khi nó được thực hiện, entropy của chất lỏng hoạt động không thay đổi. Do đó, theo Clausius, quá trình đoạn nhiệt là s=const. Đây là entropy, mang tên khác cho quá trình được thực hiện mà không cần cung cấp hoặc loại bỏ nhiệt, quá trình đẳng hướng. Nhà khoa học đang tìm kiếmnhư một chu kỳ của động cơ nhiệt, nơi sẽ không có sự gia tăng entropi. Nhưng, thật không may, anh ấy đã không làm được như vậy. Do đó, ông suy luận rằng hoàn toàn không thể tạo ra động cơ nhiệt.
Nhưng không phải tất cả các nhà nghiên cứu đều bi quan như vậy. Họ đang tìm kiếm các chu trình thực sự cho động cơ nhiệt. Theo kết quả của cuộc tìm kiếm, Nikolaus August Otto đã tạo ra chu trình động cơ nhiệt của riêng mình, chu trình này hiện được thực hiện trong động cơ xăng. Tại đây thực hiện quá trình đoạn nhiệt nén chất lỏng làm việc và cấp nhiệt đẳng tích (đốt cháy nhiên liệu ở thể tích không đổi), sau đó xuất hiện quá trình đoạn nhiệt (chất lỏng làm việc được thực hiện trong quá trình tăng thể tích của nó) và đẳng áp. loại bỏ nhiệt. Động cơ đốt trong đầu tiên của chu trình Otto sử dụng khí dễ cháy làm nhiên liệu. Rất lâu sau đó, bộ chế hòa khí được phát minh, bắt đầu tạo ra hỗn hợp xăng-không khí với hơi xăng và cung cấp chúng vào xi-lanh động cơ.
Trong chu trình Otto, hỗn hợp dễ cháy được nén lại, do đó sức nén của nó tương đối nhỏ - hỗn hợp dễ cháy có xu hướng phát nổ (nổ khi đạt đến áp suất và nhiệt độ tới hạn). Do đó, công trong quá trình nén đoạn nhiệt là tương đối nhỏ. Một khái niệm khác được đưa ra ở đây: tỷ lệ nén là tỷ lệ giữa tổng khối lượng với khối lượng nén.
Việc tìm kiếm các cách để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu vẫn tiếp tục. Sự gia tăng hiệu quả được nhìn thấy khi tăng tỷ lệ nén. Rudolf Diesel đã phát triển chu trình của riêng mình, trong đó nhiệt được cung cấpở áp suất không đổi (trong quá trình đẳng tích). Chu trình của ông đã hình thành cơ sở của động cơ sử dụng nhiên liệu diesel (nó còn được gọi là nhiên liệu diesel). Chu trình Diesel không nén hỗn hợp dễ cháy mà là không khí. Do đó, công việc được cho là được thực hiện trong một quá trình đoạn nhiệt. Nhiệt độ và áp suất ở cuối quá trình nén cao, do đó nhiên liệu được phun qua các kim phun. Nó trộn với không khí nóng, tạo thành một hỗn hợp dễ cháy. Nó cháy hết, đồng thời nội năng của chất lỏng làm việc tăng lên. Hơn nữa, sự giãn nở của khí đi dọc theo đoạn nhiệt, một hành trình làm việc được tạo ra.
Nỗ lực thực hiện chu trình Diesel trong động cơ nhiệt đã thất bại, vì vậy Gustav Trinkler đã tạo ra chu trình Trinkler kết hợp. Nó được sử dụng trong động cơ diesel ngày nay. Trong chu trình Trinkler, nhiệt được cung cấp dọc theo đường đẳng áp và sau đó dọc theo đường đẳng nhiệt. Chỉ sau đó, quá trình đoạn nhiệt mở rộng chất lỏng hoạt động được thực hiện.
Tương tự với động cơ nhiệt chuyển động, động cơ tuabin cũng hoạt động. Nhưng ở chúng, quá trình thoát nhiệt sau khi hoàn thành quá trình giãn nở đoạn nhiệt có ích của chất khí được thực hiện dọc theo đường đẳng áp. Trên máy bay có tuabin khí và động cơ phản lực cánh quạt, quá trình đoạn nhiệt xảy ra hai lần: trong quá trình nén và giãn nở.
Để chứng minh tất cả các khái niệm cơ bản của quá trình đoạn nhiệt, các công thức tính toán đã được đề xuất. Một đại lượng quan trọng xuất hiện ở đây, được gọi là số mũ đoạn nhiệt. Giá trị của nó đối với khí điatomic (oxy và nitơ là những khí điatomic chính có trong không khí) là 1,4.số mũ đoạn nhiệt, hai đặc điểm thú vị hơn được sử dụng, đó là: nhiệt dung đẳng áp và đẳng tích của chất lỏng làm việc. Tỉ số của chúng k=Cp / Cv là số mũ đoạn nhiệt.
Tại sao quá trình đoạn nhiệt được sử dụng trong các chu trình lý thuyết của động cơ nhiệt? Trên thực tế, các quá trình đa hướng được thực hiện, nhưng do chúng xảy ra với tốc độ cao, nên theo thói quen, người ta thường cho rằng không có sự trao đổi nhiệt với môi trường.
90% điện năng được tạo ra bởi các nhà máy nhiệt điện. Chúng sử dụng hơi nước làm chất lỏng hoạt động. Nó thu được bằng cách đun sôi nước. Để tăng khả năng làm việc của hơi nước, nó được đốt quá nhiệt. Sau đó, hơi quá nhiệt được đưa vào tuabin hơi ở áp suất cao. Quá trình đoạn nhiệt của hơi nước giãn nở cũng diễn ra ở đây. Tua bin nhận chuyển động quay, nó được chuyển sang máy phát điện. Điều đó, đến lượt nó, tạo ra điện cho người tiêu dùng. Tua bin hơi hoạt động theo chu trình Rankine. Lý tưởng nhất là việc tăng hiệu suất cũng liên quan đến việc tăng nhiệt độ và áp suất của hơi nước.
Như có thể thấy ở trên, quá trình đoạn nhiệt rất phổ biến trong sản xuất năng lượng cơ và điện.
