Um eine Wärmekraftmaschine zu bauen, die mit Wärme arbeiten kann, müssen Sie bestimmte Bedingungen schaffen. Zuallererst muss eine Wärmekraftmaschine in einem zyklischen Modus arbeiten, in dem eine Reihe aufeinanderfolgender thermodynamischer Prozesse einen Zyklus erzeugen. Als Ergebnis des Kreislaufs leistet das in einem Zylinder mit beweglichem Kolben eingeschlossene Gas Arbeit. Aber einer periodisch arbeitenden Maschine reicht ein Zyklus nicht aus, sie muss für eine gewisse Zeit immer wieder Zyklen ausführen. Die Gesamtarbeit, die während einer bestimmten Zeit in der Realität geleistet wird, dividiert durch die Zeit, ergibt ein weiteres wichtiges Konzept - Leistung.
Mitte des 19. Jahrhunderts entstanden die ersten Wärmekraftmaschinen. Sie funktionierten, verbrauchten aber eine große Menge an Wärme, die durch die Verbrennung von Kraftstoff gewonnen wurde. Damals stellten sich theoretische Physiker Fragen: „Wie funktioniert Gas in einer Wärmekraftmaschine? Wie erreicht man maximale Leistung bei minimalem Kraftstoffverbrauch?“
Um eine Analyse der Gasarbeit durchzuführen, war es notwendig, ein ganzes System von Definitionen und Konzepten einzuführen. Die Gesamtheit aller Definitionen schuf eine ganze wissenschaftliche Richtung, die erh alten bliebTitel: "Technische Thermodynamik". In der Thermodynamik wurden eine Reihe von Annahmen getroffen, die in keiner Weise von den Hauptschlussfolgerungen ablenken. Das Arbeitsmedium ist ein flüchtiges Gas (das in der Natur nicht vorkommt), das auf das Volumen Null komprimiert werden kann und dessen Moleküle nicht miteinander wechselwirken. In der Natur gibt es nur reale Gase, die wohldefinierte Eigenschaften haben, die sich von einem idealen Gas unterscheiden.
Um Modelle der Dynamik des Arbeitsmediums zu betrachten, wurden die Gesetze der Thermodynamik vorgeschlagen, die die wichtigsten thermodynamischen Prozesse beschreiben, wie zum Beispiel:
- isochorischer Prozess ist ein Prozess, der ohne Änderung des Volumens des Arbeitsmediums durchgeführt wird. Isochore Prozessbedingung, v=const;
- isobarer Prozess ist ein Prozess, der durchgeführt wird, ohne den Druck in der Arbeitsflüssigkeit zu ändern. Isobarer Prozesszustand, P=const;
- isothermer (isothermer) Prozess ist ein Prozess, der durchgeführt wird, während die Temperatur auf einem bestimmten Niveau geh alten wird. Isotherme Prozessbedingung, T=const;
- adiabatischer Prozess (adiabatisch, wie moderne Wärmetechniker ihn nennen) ist ein Prozess, der im Weltraum ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung durchgeführt wird. Adiabatischer Prozesszustand, q=0;
- polytropischer Prozess - Dies ist der allgemeinste Prozess, der alle oben genannten thermodynamischen Prozesse beschreibt, sowie alle anderen, die in einem Zylinder mit einem beweglichen Kolben durchgeführt werden können.
Während der Entwicklung der ersten Wärmekraftmaschinen suchte man nach einem Kreislauf, in dem man die höchste Effizienz erzielen kann(Effizienz). Sadi Carnot, der die Gesamtheit der thermodynamischen Prozesse erforschte, kam aus einer Laune heraus zur Entwicklung seines eigenen Zyklus, der seinen Namen erhielt - der Carnot-Zyklus. Es führt nacheinander einen isothermen, dann einen adiabatischen Kompressionsprozess durch. Das Arbeitsfluid hat nach Durchführung dieser Prozesse eine Reserve an innerer Energie, aber der Kreislauf ist noch nicht abgeschlossen, sodass das Arbeitsfluid expandiert und einen isothermen Expansionsprozess durchführt. Um den Zyklus abzuschließen und zu den ursprünglichen Parametern des Arbeitsmediums zurückzukehren, wird ein adiabatischer Expansionsprozess durchgeführt.
Carnot bewies, dass der Wirkungsgrad in seinem Kreislauf ein Maximum erreicht und nur von den Temperaturen der beiden Isothermen abhängt. Je größer die Differenz zwischen ihnen ist, desto höher ist der thermische Wirkungsgrad. Versuche, eine Wärmekraftmaschine nach dem Carnot-Zyklus zu schaffen, waren nicht erfolgreich. Dies ist ein idealer Kreislauf, der nicht erfüllt werden kann. Aber er bewies das Hauptprinzip des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik über die Unmöglichkeit, Arbeit zu erh alten, die den Kosten für thermische Energie entspricht. Für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wurden eine Reihe von Definitionen formuliert, auf deren Grundlage Rudolf Clausius den Begriff der Entropie einführte. Die Hauptschlussfolgerung seiner Forschung ist, dass die Entropie ständig zunimmt, was zum thermischen „Tod“führt.
Die wichtigste Errungenschaft von Clausius war das Verständnis des Wesens des adiabatischen Prozesses, bei dessen Durchführung sich die Entropie des Arbeitsmediums nicht ändert. Daher ist nach Clausius der adiabatische Prozess s=const. Hier ist s die Entropie, die dem Vorgang, der ohne Zufuhr oder Abfuhr von Wärme abläuft, den isentropischen Vorgang, einen anderen Namen gibt. Der Wissenschaftler suchteein solcher Zyklus einer Wärmekraftmaschine, bei dem es keine Zunahme der Entropie geben würde. Aber leider ist ihm das nicht gelungen. Daraus folgerte er, dass eine Wärmekraftmaschine überhaupt nicht geschaffen werden kann.
Aber nicht alle Forscher waren so pessimistisch. Sie suchten nach realen Kreisläufen für Wärmekraftmaschinen. Als Ergebnis ihrer Suche schuf Nikolaus August Otto einen eigenen Zyklus der Wärmekraftmaschine, der heute in Ottomotoren implementiert wird. Hier werden der adiabatische Prozess der Kompression des Arbeitsmediums und die isochore Wärmezufuhr (Verbrennung von Kraftstoff bei konstantem Volumen) durchgeführt, dann tritt die adiabatische Expansion auf (Arbeit wird vom Arbeitsmedium bei der Volumenvergrößerung verrichtet) und isochor Wärmeabfuhr. Die ersten Verbrennungsmotoren des Otto-Zyklus verwendeten brennbare Gase als Kraftstoff. Viel später wurden Vergaser erfunden, die damit begannen, Benzin-Luft-Gemische aus Luft mit Benzindämpfen zu erzeugen und diese dem Motorzylinder zuzuführen.
Im Otto-Zyklus wird das brennbare Gemisch komprimiert, daher ist seine Kompression relativ gering - das brennbare Gemisch neigt zur Detonation (explodieren, wenn kritische Drücke und Temperaturen erreicht werden). Daher ist die Arbeit während des adiabatischen Kompressionsvorgangs relativ gering. Hier wird ein anderes Konzept eingeführt: Das Kompressionsverhältnis ist das Verhältnis des Gesamtvolumens zum Kompressionsvolumen.
Die Suche nach Möglichkeiten zur Steigerung der Kraftstoffeffizienz ging weiter. Eine Steigerung des Wirkungsgrades zeigte sich in einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses. Rudolf Diesel entwickelte einen eigenen Kreislauf, in dem Wärme zugeführt wirdbei konstantem Druck (im isobaren Prozess). Sein Zyklus bildete die Grundlage für Motoren mit Dieselkraftstoff (auch Dieselkraftstoff genannt). Der Dieselkreislauf komprimiert nicht das brennbare Gemisch, sondern Luft. Es wird daher gesagt, dass die Arbeit in einem adiabatischen Prozess verrichtet wird. Die Temperatur und der Druck am Ende der Kompression sind hoch, sodass Kraftstoff durch die Einspritzdüsen eingespritzt wird. Es vermischt sich mit heißer Luft und bildet ein brennbares Gemisch. Es brennt aus, während die innere Energie des Arbeitsmediums zunimmt. Außerdem verläuft die Expansion des Gases entlang der Adiabate, es wird ein Arbeitshub ausgeführt.
Der Versuch, den Dieselkreislauf in Wärmekraftmaschinen umzusetzen, scheiterte, also schuf Gustav Trinkler den kombinierten Trinkler-Kreislauf. Es wird in heutigen Dieselmotoren verwendet. Im Trinkler-Kreisprozess wird Wärme entlang der Isochore und dann entlang der Isobaren zugeführt. Erst danach erfolgt der adiabatische Expansionsprozess des Arbeitsmediums.
In Analogie zu Kolbenwärmemaschinen funktionieren auch Turbinenmotoren. Aber in ihnen wird der Prozess der Wärmeabfuhr nach Abschluss der nützlichen adiabatischen Expansion des Gases entlang der Isobaren durchgeführt. Bei Flugzeugen mit Gasturbinen- und Turboprop-Triebwerken findet der adiabatische Prozess zweimal statt: während der Kompression und Expansion.
Um alle grundlegenden Konzepte des adiabatischen Prozesses zu untermauern, wurden Berechnungsformeln vorgeschlagen. Hier taucht eine wichtige Größe auf, die als Adiabatenexponent bezeichnet wird. Sein Wert für ein zweiatomiges Gas (Sauerstoff und Stickstoff sind die wichtigsten zweiatomigen Gase in der Luft) beträgt 1,4Beim adiabatischen Exponenten werden zwei weitere interessante Eigenschaften verwendet, nämlich: die isobare und die isochore Wärmekapazität des Arbeitsmediums. Ihr Verhältnis k=Cp/Cv ist der Adiabatenexponent.
Warum wird der adiabatische Prozess in den theoretischen Zyklen von Wärmekraftmaschinen verwendet? Tatsächlich werden polytrope Prozesse durchgeführt, aber aufgrund der Tatsache, dass sie mit hoher Geschwindigkeit ablaufen, ist es üblich anzunehmen, dass es keinen Wärmeaustausch mit der Umgebung gibt.
90 % des Stroms wird in thermischen Kraftwerken erzeugt. Sie verwenden Wasserdampf als Arbeitsmedium. Es wird durch Kochen von Wasser gewonnen. Um das Arbeitspotential von Dampf zu erhöhen, wird er überhitzt. Der überhitzte Dampf wird dann unter hohem Druck einer Dampfturbine zugeführt. Hier findet auch der adiabatische Prozess der Dampfexpansion statt. Die Turbine erhält Rotation, sie wird auf einen elektrischen Generator übertragen. Das wiederum erzeugt Strom für die Verbraucher. Dampfturbinen arbeiten nach dem Rankine-Zyklus. Im Idealfall ist die Effizienzsteigerung auch mit einer Erhöhung der Temperatur und des Drucks des Wasserdampfes verbunden.
Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, ist der adiabatische Prozess bei der Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie weit verbreitet.
