Жылуды пайдалану арқылы жұмыс жасай алатын жылу қозғалтқышын жасау үшін белгілі бір жағдайлар жасау керек. Біріншіден, жылу қозғалтқышы циклдік режимде жұмыс істеуі керек, мұнда тізбекті термодинамикалық процестер цикл жасайды. Цикл нәтижесінде жылжымалы поршені бар цилиндрге салынған газ жұмыс істейді. Бірақ мезгіл-мезгіл жұмыс істейтін машина үшін бір цикл жеткіліксіз, ол белгілі бір уақыт ішінде циклдарды қайта-қайта орындауы керек. Белгілі бір уақыт ішінде нақты орындалған жұмыстың уақыт бойынша бөлінуі тағы бір маңызды ұғымды береді - қуат.
19 ғасырдың ортасында алғашқы жылу машиналары жасалды. Олар жұмыс істеді, бірақ отынның жануынан алынған жылуды көп жұмсады. Дәл сол кезде теориялық физиктер өздеріне сұрақтар қойды: «Жылу қозғалтқышында газ қалай жұмыс істейді? Жанармайды минималды тұтыну арқылы максималды өнімділікке қалай қол жеткізуге болады?»
Газ жұмысын талдау үшін анықтамалар мен ұғымдардың тұтас жүйесін енгізу қажет болды. Барлық анықтамалардың жиынтығы алынған тұтас ғылыми бағытты құрадытақырыбы: «Техникалық термодинамика». Термодинамикада негізгі қорытындыларды ешбір жағдайда бұзбайтын бірқатар болжамдар жасалды. Жұмыс сұйықтығы эфемерлі газ (табиғатта жоқ), ол нөлдік көлемге дейін сығымдалады, молекулалары бір-бірімен әрекеттеспейді. Табиғатта идеал газдан ерекшеленетін, нақты анықталған қасиеттері бар нақты газдар ғана бар.
Жұмысшы сұйықтықтың динамикасының үлгілерін қарастыру үшін термодинамика заңдары ұсынылды, олар негізгі термодинамикалық процестерді сипаттайды, мысалы:
- изохоралық процесс – жұмыс сұйықтығының көлемін өзгертпей орындалатын процесс. Изохоралық процесс шарты, v=const;
- изобарикалық процесс – жұмыс сұйықтығындағы қысымды өзгертпей орындалатын процесс. Изобарлық процесс шарты, P=const;
- изотермиялық (изотермиялық) процесс – температураны берілген деңгейде ұстап тұру кезінде орындалатын процесс. Изотермиялық процесс шарты, T=const;
- адиабаталық процесс (азіргі жылу инженерлері адиабаталық деп атайды) – қоршаған ортамен жылу алмасусыз кеңістікте орындалатын процесс. Адиабаталық процесс шарты, q=0;
- политропты процесс - бұл жоғарыда аталған барлық термодинамикалық процестерді, сондай-ақ қозғалмалы поршені бар цилиндрде орындауға болатын барлық басқа процестерді сипаттайтын ең жалпыланған процесс.
Алғашқы жылу қозғалтқыштарын жасау кезінде олар ең жоғары тиімділікті алуға болатын циклды іздеді.(тиімділік). Сади Карно термодинамикалық процестердің жиынтығын зерттей отырып, өзінің Карно циклі деп аталатын өз циклін дамытуға келді. Ол ретімен изотермиялық, содан кейін адиабаталық қысу процесін орындайды. Бұл процестерді орындағаннан кейін жұмыс сұйықтығының ішкі энергия қоры бар, бірақ цикл әлі аяқталмаған, сондықтан жұмыс сұйықтығы кеңейіп, изотермиялық кеңею процесін орындайды. Циклды аяқтау және жұмыс сұйықтығының бастапқы параметрлеріне оралу үшін адиабаталық кеңейту процесі орындалады.
Карно өз цикліндегі ПӘК максимумға жететінін және тек екі изотерманың температурасына байланысты екенін дәлелдеді. Олардың арасындағы айырмашылық неғұрлым жоғары болса, соғұрлым термиялық тиімділік соғұрлым жоғары болады. Карно циклі бойынша жылу қозғалтқышын құру әрекеттері сәтті болмады. Бұл орындалмайтын тамаша цикл. Бірақ ол жылу энергиясының құнына тең жұмысты алу мүмкін еместігі туралы термодинамиканың екінші заңының негізгі принципін дәлелдеді. Термодинамиканың екінші заңына бірқатар анықтамалар тұжырымдалып, соның негізінде Рудольф Клаузиус энтропия ұғымын енгізді. Оның зерттеуінің негізгі қорытындысы - энтропияның үнемі артып отыруы, бұл термиялық «өлімге» әкеледі.
Клаузиустың ең маңызды жетістігі адиабаталық процестің мәнін түсінуі болды, ол орындалған кезде жұмыс сұйықтығының энтропиясы өзгермейді. Демек, Клаузиус бойынша адиабаталық процесс s=const. Мұнда s - жылу берусіз немесе алынбай орындалатын процеске басқа атау беретін энтропия, изонтропты процесс. Ғалым іздегенэнтропияның артуы болмайтын жылу қозғалтқышының мұндай циклі. Бірақ, өкінішке орай, ол мұны істей алмады. Сондықтан ол жылу қозғалтқышын мүлдем жасау мүмкін емес деген қорытындыға келді.
Бірақ барлық зерттеушілер соншалықты пессимистік емес еді. Олар жылу қозғалтқыштары үшін нақты циклдарды іздеді. Олардың ізденістерінің нәтижесінде Николаус Август Отто қазіргі уақытта бензин қозғалтқыштарында енгізілген жылу қозғалтқышының жеке циклін жасады. Мұнда жұмыс сұйықтығын сығудың адиабаталық процесі және изохоралық жылу беру (тұрақты көлемде отынның жануы) орындалады, содан кейін адиабаталық кеңею пайда болады (жұмыс оның көлемін ұлғайту процесінде жұмыс сұйықтығымен жасалады) және изохоралық жылуды кетіру. Отто циклінің алғашқы іштен жанатын қозғалтқыштары отын ретінде жанғыш газдарды пайдаланды. Біраз уақыттан кейін карбюраторлар ойлап табылды, олар бензин буларымен ауаның бензин-ауа қоспаларын жасап, оларды қозғалтқыш цилиндріне жеткізе бастады.
Отто циклінде жанғыш қоспа сығылады, сондықтан оның қысылуы салыстырмалы түрде аз - жанғыш қоспа жарылуға бейім (критикалық қысым мен температураға жеткенде жарылады). Сондықтан адиабаталық сығу процесі кезіндегі жұмыс салыстырмалы түрде аз. Мұнда тағы бір тұжырымдама енгізілген: қысу коэффициенті - бұл жалпы көлемнің қысу көлеміне қатынасы.
Отын энергиясының тиімділігін арттыру жолдарын іздеу жалғасты. Тиімділіктің жоғарылауы қысу коэффициентінің жоғарылауында байқалды. Рудольф Дизель жылу берілетін өз циклін жасадытұрақты қысымда (изобарлық процесте). Оның циклі дизельдік отынды пайдаланатын қозғалтқыштардың негізін құрады (оны дизельдік отын деп те атайды). Дизельдік цикл жанғыш қоспаны емес, ауаны қысады. Сондықтан жұмыс адиабаталық процесте орындалады деп айтылады. Сығымдау соңындағы температура мен қысым жоғары, сондықтан жанармай инжекторлар арқылы айдалады. Ол ыстық ауамен араласады, жанғыш қоспа түзеді. Ол жанып кетеді, ал жұмыс сұйықтығының ішкі энергиясы артады. Әрі қарай, газдың кеңеюі адиабата бойымен жүреді, жұмыс инсульт жасалады.
Жылу қозғалтқыштарында дизельдік циклді енгізу әрекеті сәтсіз аяқталды, сондықтан Густав Тринклер біріктірілген Trinkler циклін жасады. Ол қазіргі дизельдік қозғалтқыштарда қолданылады. Тринклер циклінде жылу изохора бойымен, содан кейін изобар бойымен беріледі. Осыдан кейін ғана жұмыс сұйықтығының кеңеюінің адиабаталық процесі орындалады.
Поргоналды жылу қозғалтқыштарымен ұқсастығы бойынша турбиналық қозғалтқыштар да жұмыс істейді. Бірақ оларда газдың пайдалы адиабаталық кеңеюі аяқталғаннан кейін жылуды жою процесі изобар бойымен жүзеге асырылады. Газ турбиналы және турбовинтті қозғалтқыштары бар ұшақтарда адиабаталық процесс екі рет жүреді: қысу және кеңейту кезінде.
Адиабаталық процестің барлық іргелі тұжырымдамаларын негіздеу үшін есептеу формулалары ұсынылды. Мұнда адиабаталық көрсеткіш деп аталатын маңызды шама пайда болады. Оның екі атомды газ үшін мәні (оттегі мен азот ауада болатын негізгі екі атомды газдар) 1,4. Есептеу үшінадиабаталық көрсеткіште тағы екі қызықты сипаттама қолданылады, атап айтқанда: жұмыс сұйықтығының изобарлық және изохоралық жылу сыйымдылықтары. Олардың k=Cp/Cv қатынасы адиабаталық көрсеткіш болып табылады.
Адиабаталық процесс неліктен жылу қозғалтқыштарының теориялық циклдерінде қолданылады? Шындығында политропты процестер орындалады, бірақ олар жоғары жылдамдықпен жүретіндіктен, қоршаған ортамен жылу алмасу жоқ деп есептеу әдетке айналған.
90% электр энергиясы жылу электр станцияларында өндіріледі. Олар жұмыс сұйықтығы ретінде су буын пайдаланады. Ол қайнаған су арқылы алынады. Будың жұмыс қабілеттілігін арттыру үшін оны қатты қыздырады. Содан кейін қатты қыздырылған бу жоғары қысыммен бу турбинасына беріледі. Будың кеңеюінің адиабаталық процесі де осы жерде жүреді. Турбина айналуды қабылдайды, ол электр генераторына беріледі. Бұл өз кезегінде тұтынушылар үшін электр энергиясын өндіреді. Бу турбиналары Рэнкин циклі бойынша жұмыс істейді. Ең дұрысы, тиімділіктің жоғарылауы су буының температурасы мен қысымының жоғарылауымен де байланысты.
Жоғарыда айтылғандардан көрініп тұрғандай, адиабаталық процесс механикалық және электр энергиясын өндіруде өте кең таралған.
