Për të ndërtuar një motor ngrohjeje që mund të punojë duke përdorur nxehtësinë, duhet të krijoni kushte të caktuara. Para së gjithash, një motor termik duhet të funksionojë në një mënyrë ciklike, ku një sërë procesesh termodinamike të njëpasnjëshme krijojnë një cikël. Si rezultat i ciklit, gazi i mbyllur në një cilindër me një piston të lëvizshëm funksionon. Por një cikël nuk mjafton për një makinë që funksionon periodikisht; ajo duhet të kryejë cikle pa pushim për një kohë të caktuar. Puna totale e kryer gjatë një kohe të caktuar në realitet, pjesëtuar me kohën, jep një koncept tjetër të rëndësishëm - fuqinë.
Në mesin e shekullit të 19-të, u krijuan motorët e parë me nxehtësi. Ata bënë punë, por shpenzuan një sasi të madhe nxehtësie të marrë nga djegia e karburantit. Ishte atëherë që fizikanët teorikë i bënë vetes pyetje: “Si funksionon gazi në një motor ngrohjeje? Si të merrni performancë maksimale me përdorimin minimal të karburantit?”
Për të kryer një analizë të punës së gazit, ishte e nevojshme të futej një sistem i tërë përkufizimesh dhe konceptesh. Tërësia e të gjitha përkufizimeve krijoi një drejtim të tërë shkencor, i cili morititulli: "Termodinamika teknike". Në termodinamikë, janë bërë një sërë supozimesh që në asnjë mënyrë nuk i largojnë përfundimet kryesore. Lëngu i punës është një gaz kalimtar (që nuk ekziston në natyrë), i cili mund të kompresohet në vëllim zero, molekulat e të cilit nuk ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Në natyrë, ekzistojnë vetëm gazra të vërtetë që kanë veti të mirëpërcaktuara që janë të ndryshme nga një gaz ideal.
Për të shqyrtuar modelet e dinamikës së lëngut të punës, u propozuan ligjet e termodinamikës, duke përshkruar proceset kryesore termodinamike, si p.sh.:
Procesi
Procesi
Gjatë krijimit të motorëve të parë me nxehtësi, ata po kërkonin një cikël në të cilin mund të arrini efikasitetin më të lartë(efikasiteti). Sadi Carnot, duke eksploruar tërësinë e proceseve termodinamike, me dëshirë erdhi në zhvillimin e ciklit të tij, i cili mori emrin e tij - cikli Carnot. Ai kryen në mënyrë sekuenciale një proces kompresimi izotermik dhe më pas adiabatik. Lëngu punues pas kryerjes së këtyre proceseve ka një rezervë të energjisë së brendshme, por cikli ende nuk ka përfunduar, kështu që lëngu punues zgjerohet dhe kryen një proces zgjerimi izotermik. Për të përfunduar ciklin dhe për t'u kthyer në parametrat origjinalë të lëngut të punës, kryhet një proces zgjerimi adiabatik.
Carnot vërtetoi se efikasiteti në ciklin e tij arrin maksimumin dhe varet vetëm nga temperaturat e dy izotermave. Sa më i lartë të jetë diferenca midis tyre, aq më i lartë është efikasiteti termik përkatës. Përpjekjet për të krijuar një motor ngrohje sipas ciklit Carnot nuk kanë qenë të suksesshme. Ky është një cikël ideal që nuk mund të përmbushet. Por ai vërtetoi parimin kryesor të ligjit të dytë të termodinamikës për pamundësinë e marrjes së punës të barabartë me koston e energjisë termike. Një numër përkufizimesh u formuluan për ligjin e dytë të termodinamikës, në bazë të të cilit Rudolf Clausius prezantoi konceptin e entropisë. Konkluzioni kryesor i kërkimit të tij është se entropia është vazhdimisht në rritje, gjë që çon në "vdekje" termike.
Arritja më e rëndësishme e Clausius ishte kuptimi i thelbit të procesit adiabatik, kur ai kryhet, entropia e lëngut punues nuk ndryshon. Prandaj, sipas Clausius-it, procesi adiabatik është s=const. Këtu s është entropia, e cila i jep një emër tjetër procesit të kryer pa furnizim ose largim të nxehtësisë, procesi izentropik. Shkencëtari po kërkontenjë cikël i tillë i një motori me nxehtësi ku nuk do të kishte rritje të entropisë. Por, për fat të keq, ai nuk arriti ta bëjë këtë. Prandaj, ai doli se një motor ngrohje nuk mund të krijohet fare.
Por jo të gjithë studiuesit ishin kaq pesimistë. Ata po kërkonin cikle reale për motorët me nxehtësi. Si rezultat i kërkimit të tyre, Nikolaus August Otto krijoi ciklin e tij të motorit të nxehtësisë, i cili tani zbatohet në motorët me benzinë. Këtu kryhet procesi adiabatik i ngjeshjes së lëngut punues dhe furnizimi me nxehtësi izokorik (djegia e karburantit me vëllim konstant), më pas shfaqet zgjerimi adiabatik (puna kryhet nga lëngu punues në procesin e rritjes së vëllimit të tij) dhe izokorik. heqja e nxehtësisë. Motorët e parë me djegie të brendshme të ciklit Otto përdorën gazra të djegshëm si lëndë djegëse. Shumë më vonë, u shpikën karburatorët, të cilët filluan të krijojnë përzierje benzinë-ajër të ajrit me avujt e benzinës dhe t'i furnizojnë ato në cilindrin e motorit.
Në ciklin Otto, përzierja e djegshme kompresohet, kështu që ngjeshja e saj është relativisht e vogël - përzierja e djegshme tenton të shpërthejë (shpërthejë kur arrihet presioni dhe temperatura kritike). Prandaj, puna gjatë procesit të ngjeshjes adiabatike është relativisht e vogël. Një koncept tjetër prezantohet këtu: raporti i ngjeshjes është raporti i vëllimit të përgjithshëm me vëllimin e ngjeshjes.
Kërkimi për mënyra për të rritur efikasitetin e energjisë së karburantit vazhdoi. Një rritje e efikasitetit u pa në një rritje në raportin e kompresimit. Rudolf Diesel zhvilloi ciklin e tij në të cilin furnizohet nxehtësianë presion konstant (në procesin izobarik). Cikli i tij formoi bazën e motorëve që përdorin naftë (ai quhet edhe karburant dizel). Cikli i Dizelit nuk ngjesh përzierjen e djegshme, por ajrin. Prandaj, thuhet se puna kryhet në një proces adiabatik. Temperatura dhe presioni në fund të ngjeshjes janë të larta, kështu që karburanti injektohet përmes injektorëve. Përzihet me ajrin e nxehtë, formon një përzierje të djegshme. Ai digjet, ndërsa energjia e brendshme e lëngut të punës rritet. Më tej, zgjerimi i gazit shkon përgjatë adiabatit, bëhet një goditje pune.
Përpjekja për të zbatuar ciklin Diesel në motorët me ngrohje dështoi, kështu që Gustav Trinkler krijoi ciklin e kombinuar Trinkler. Përdoret në motorët e sotëm me naftë. Në ciklin Trinkler, nxehtësia furnizohet përgjatë izokorit dhe më pas përgjatë izobarit. Vetëm pas kësaj kryhet procesi adiabatik i zgjerimit të lëngut punues.
Për analogji me motorët me nxehtësi reciproke, funksionojnë edhe motorët me turbina. Por në to, procesi i heqjes së nxehtësisë pas përfundimit të zgjerimit të dobishëm adiabatik të gazit kryhet përgjatë izobarit. Në avionët me turbinë me gaz dhe motorë turboprop, procesi adiabatik ndodh dy herë: gjatë ngjeshjes dhe zgjerimit.
Për të vërtetuar të gjitha konceptet themelore të procesit adiabatik, u propozuan formula llogaritëse. Këtu shfaqet një sasi e rëndësishme, e quajtur eksponent adiabatik. Vlera e tij për një gaz diatomik (oksigjeni dhe azoti janë gazet kryesore diatomike të pranishme në ajër) është 1.4. Për të llogariturEksponenti adiabatik përdoren dy karakteristika më interesante, përkatësisht: kapacitetet e nxehtësisë izobarike dhe izokorike të lëngut punues. Raporti i tyre k=Cp/Cv është eksponenti adiabatik.
Pse përdoret procesi adiabatik në ciklet teorike të motorëve me nxehtësi? Në fakt kryhen procese politropike, por për faktin se ato ndodhin me shpejtësi të madhe, është zakon të supozohet se nuk ka shkëmbim nxehtësie me mjedisin.
90% e energjisë elektrike prodhohet nga termocentralet. Ata përdorin avujt e ujit si lëng pune. Përftohet me ujë të vluar. Për të rritur potencialin e punës së avullit, ai mbinxehet. Avulli i mbinxehur më pas futet me presion të lartë në një turbinë me avull. Këtu zhvillohet edhe procesi adiabatik i zgjerimit të avullit. Turbina merr rrotullim, ajo transferohet në një gjenerator elektrik. Kjo, nga ana tjetër, gjeneron energji elektrike për konsumatorët. Turbinat me avull funksionojnë në ciklin Rankine. Në mënyrë ideale, rritja e efikasitetit shoqërohet gjithashtu me një rritje të temperaturës dhe presionit të avullit të ujit.
Siç mund të shihet nga sa më sipër, procesi adiabatik është shumë i zakonshëm në prodhimin e energjisë mekanike dhe elektrike.
