İstilikdən istifadə edərək iş görə bilən istilik mühərriki qurmaq üçün müəyyən şərtlər yaratmaq lazımdır. Hər şeydən əvvəl, istilik mühərriki bir sıra ardıcıl termodinamik proseslərin bir dövr yaratdığı tsiklik rejimdə işləməlidir. Dövrün nəticəsi olaraq, hərəkət edən bir pistonu olan bir silindrdə qapalı qaz işləyir. Ancaq vaxtaşırı işləyən maşın üçün bir dövrə kifayət deyil, müəyyən bir müddət ərzində dövrləri təkrar-təkrar yerinə yetirməlidir. Reallıqda müəyyən bir zaman ərzində yerinə yetirilən ümumi iş, zamana bölünərək, başqa bir vacib anlayışı verir - güc.
19-cu əsrin ortalarında ilk istilik mühərrikləri yaradılmışdır. Onlar iş gördülər, lakin yanacağın yanmasından əldə edilən böyük miqdarda istilik sərf etdilər. Məhz o zaman nəzəri fiziklər özlərinə suallar verdilər: “İstilik maşınında qaz necə işləyir? Minimum yanacaq sərfiyyatı ilə maksimum performansı necə əldə etmək olar?"
Qaz işinin təhlilini aparmaq üçün bütün təriflər və anlayışlar sistemini təqdim etmək lazım idi. Bütün təriflərin məcmusu qəbul edilən bütöv bir elmi istiqamət yaratdıbaşlıq: "Texniki termodinamika". Termodinamikada bir sıra fərziyyələr irəli sürülüb ki, onlar heç bir şəkildə əsas nəticələrdən yayınmır. İşçi maye efemer qazdır (təbiətdə yoxdur), sıfır həcmdə sıxıla bilər, molekulları bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərmir. Təbiətdə yalnız ideal qazdan fərqli, dəqiq müəyyən edilmiş xassələrə malik real qazlar var.
İşçi mayesinin dinamikasının modellərini nəzərdən keçirmək üçün əsas termodinamik prosesləri təsvir edən termodinamika qanunları təklif edilmişdir, məsələn:
- izokorik proses işçi mayenin həcmini dəyişmədən həyata keçirilən prosesdir. İzoxorik proses şərti, v=const;
- izobarik proses işçi mayenin təzyiqi dəyişmədən həyata keçirilən prosesdir. İzobarik proses şərti, P=const;
- izotermik (izotermik) proses temperaturun müəyyən səviyyədə saxlanması ilə həyata keçirilən prosesdir. İzotermik proses şəraiti, T=const;
- adiabatik proses (adiabatik, müasir istilik mühəndisləri belə adlandırırlar) ətraf mühitlə istilik mübadiləsi olmadan kosmosda həyata keçirilən prosesdir. Adiabatik proses şərti, q=0;
- politropik proses - bu, yuxarıda göstərilən bütün termodinamik prosesləri, eləcə də hərəkətli porşenli silindrdə yerinə yetirilməsi mümkün olan bütün digər prosesləri təsvir edən ən ümumiləşdirilmiş prosesdir.
İlk istilik mühərriklərinin yaradılması zamanı onlar ən yüksək səmərəliliyi əldə edə biləcəyiniz dövrə axtarırdılar.(səmərəlilik). Sadi Carnot, termodinamik proseslərin məcmusunu tədqiq edərək, bir şıltaqlıqla öz adını aldı - Carnot dövrəsinin inkişafına gəldi. O, ardıcıl olaraq izotermik, sonra adiabatik sıxılma prosesini həyata keçirir. Bu prosesləri yerinə yetirdikdən sonra işçi maye daxili enerji ehtiyatına malikdir, lakin dövr hələ tamamlanmamışdır, buna görə də işçi maye genişlənir və izotermik genişlənmə prosesini həyata keçirir. Dövrü başa çatdırmaq və işçi mayenin ilkin parametrlərinə qayıtmaq üçün adiabatik genişlənmə prosesi həyata keçirilir.
Karnot sübut etdi ki, onun dövrəsində səmərəlilik maksimuma çatır və yalnız iki izotermin temperaturundan asılıdır. Aralarındakı fərq nə qədər yüksək olarsa, müvafiq olaraq daha yüksək istilik səmərəliliyi. Karno dövrünə uyğun olaraq istilik mühərriki yaratmaq cəhdləri uğurlu alınmadı. Bu, yerinə yetirilməsi mümkün olmayan ideal bir dövrdür. Lakin o, istilik enerjisinin dəyərinə bərabər iş əldə etməyin mümkünsüzlüyü haqqında termodinamikanın ikinci qanununun əsas prinsipini sübut etdi. Termodinamikanın ikinci qanunu üçün bir sıra təriflər tərtib edildi, bunun əsasında Rudolf Clausius entropiya anlayışını təqdim etdi. Onun tədqiqatının əsas nəticəsi ondan ibarətdir ki, entropiya daim artır və bu da termal “ölüm”ə səbəb olur.
Klauzinin ən mühüm nailiyyəti adiabatik prosesin mahiyyətini dərk etməsi idi, o həyata keçirildikdə işçi mayenin entropiyası dəyişmir. Odur ki, Klauziyə görə adiabatik proses s=const olur. Burada s istilik təchizatı və ya çıxarılması olmadan həyata keçirilən prosesə, izentropik prosesə başqa bir ad verən entropiyadır. Alim axtarırdıentropiyada heç bir artım olmayacağı bir istilik mühərrikinin belə bir dövrü. Amma təəssüf ki, o, buna nail ola bilmədi. Buna görə də o, belə qənaətə gəldi ki, heç bir istilik mühərriki yaradıla bilməz.
Ancaq bütün tədqiqatçılar o qədər də pessimist deyildilər. Onlar istilik mühərrikləri üçün real dövrlər axtarırdılar. Onların axtarışları nəticəsində Nikolaus Avqust Otto indi benzin mühərriklərində tətbiq olunan istilik mühərrikinin öz dövrəsini yaratdı. Burada işçi mayenin adiabatik sıxılma prosesi və izoxorik istilik təchizatı (yanacaq sabit həcmdə yanması) həyata keçirilir, sonra adiabatik genişlənmə meydana çıxır (işçi mayenin həcmini artırmaq prosesində işləyir) və izoxorik. istilik aradan qaldırılması. Otto dövrünün ilk daxili yanma mühərrikləri yanacaq kimi yanan qazlardan istifadə edirdi. Çox sonra, benzin buxarları ilə havanın benzin-hava qarışıqları yaratmağa və onları mühərrik silindrinə verməyə başlayan karbüratorlar ixtira edildi.
Otto dövründə yanan qarışıq sıxılır, ona görə də onun sıxılması nisbətən kiçik olur - yanan qarışıq partlamağa meyllidir (kritik təzyiqlərə və temperaturlara çatdıqda partlayır). Buna görə də adiabatik sıxılma prosesi zamanı iş nisbətən kiçikdir. Burada başqa bir konsepsiya təqdim olunur: sıxılma nisbəti ümumi həcmin sıxılma həcminə nisbətidir.
Yanacaq enerjisinin səmərəliliyini artırmaq yollarının axtarışı davam etdirildi. Sıxılma nisbətinin artması ilə səmərəliliyin artması müşahidə edildi. Rudolf Diesel, istiliyin verildiyi öz dövrəsini inkişaf etdirdisabit təzyiqdə (izobar prosesdə). Onun dövrü dizel yanacağından istifadə edən mühərriklərin əsasını təşkil etdi (buna dizel yanacağı da deyilir). Dizel dövrü yanan qarışığı deyil, havanı sıxışdırır. Buna görə də işin adiabatik prosesdə görüldüyü deyilir. Sıxılmanın sonunda temperatur və təzyiq yüksəkdir, ona görə də yanacaq enjektorlar vasitəsilə vurulur. İsti hava ilə qarışır, yanan bir qarışıq əmələ gətirir. İşləyən mayenin daxili enerjisi artarkən yanır. Bundan əlavə, qazın genişlənməsi adiabatik boyunca gedir, iş vuruşu edilir.
İstilik mühərriklərində Dizel dövrəsini tətbiq etmək cəhdi uğursuz oldu, buna görə də Qustav Trinkler birləşmiş Trinkler dövrəsini yaratdı. İndiki dizel mühərriklərində istifadə olunur. Trinkler siklində istilik izoxor boyunca, sonra isə izobar boyunca verilir. Yalnız bundan sonra işçi mayenin adiabatik genişlənməsi prosesi həyata keçirilir.
Pistonlu istilik mühərrikləri ilə analoji olaraq, turbinli mühərriklər də işləyir. Lakin onlarda qazın faydalı adiabatik genişlənməsi başa çatdıqdan sonra istiliyin çıxarılması prosesi izobar boyunca aparılır. Qaz turbinli və turbovintli mühərrikləri olan təyyarələrdə adiabatik proses iki dəfə baş verir: sıxılma və genişlənmə zamanı.
Adiabatik prosesin bütün fundamental konsepsiyalarını əsaslandırmaq üçün hesablama düsturları təklif edilmişdir. Burada adiabatik eksponent adlanan mühüm kəmiyyət görünür. Onun iki atomlu qaz üçün dəyəri (oksigen və azot havada mövcud olan əsas iki atomlu qazlardır) 1.4. Hesablamaq üçünadiabatik eksponent, daha iki maraqlı xüsusiyyətdən istifadə olunur, yəni: işçi mayenin izobar və izoxorik istilik tutumları. Onların k=Cp/Cv nisbəti adiabatik eksponentdir.
Niyə istilik mühərriklərinin nəzəri dövrlərində adiabatik prosesdən istifadə olunur? Əslində, politropik proseslər həyata keçirilir, lakin onların yüksək sürətlə baş verməsi səbəbindən ətraf mühitlə istilik mübadiləsinin olmadığını güman etmək adətdir.
Elektrik enerjisinin 90%-i istilik elektrik stansiyaları tərəfindən istehsal olunur. İşçi maye kimi su buxarından istifadə edirlər. Qaynar su ilə əldə edilir. Buxarın işləmə potensialını artırmaq üçün onu çox qızdırırlar. Həddindən artıq qızdırılan buxar daha sonra yüksək təzyiqlə buxar turbininə verilir. Buxarın adiabatik genişlənməsi prosesi də burada baş verir. Turbin fırlanma qəbul edir, elektrik generatoruna ötürülür. Bu da öz növbəsində istehlakçılar üçün elektrik enerjisi istehsal edir. Buxar turbinləri Rankine dövrü ilə işləyir. İdeal olaraq, səmərəliliyin artması su buxarının temperaturu və təzyiqinin artması ilə də əlaqələndirilir.
Yuxarıda deyilənlərdən göründüyü kimi mexaniki və elektrik enerjisinin istehsalında adiabatik proses çox yayılmışdır.
