Če želite zgraditi toplotni motor, ki lahko opravlja delo s toploto, morate ustvariti določene pogoje. Najprej mora toplotni motor delovati v cikličnem načinu, kjer niz zaporednih termodinamičnih procesov ustvari cikel. Kot rezultat cikla deluje plin, zaprt v jeklenki s premičnim batom. Toda en cikel ni dovolj za občasno delujoč stroj, temveč mora izvajati cikle znova in znova za določen čas. Skupno delo, opravljeno v danem času v resnici, deljeno s časom, daje še en pomemben koncept - moč.
Sredi 19. stoletja so nastali prvi toplotni motorji. Delali so, vendar so porabili veliko toplote, pridobljene z zgorevanjem goriva. Takrat so si teoretični fiziki zastavili vprašanja: »Kako plin deluje v toplotnem motorju? Kako doseči največjo zmogljivost z minimalno porabo goriva?"
Za izvedbo analize plinskega dela je bilo potrebno uvesti celoten sistem definicij in konceptov. Skupina vseh definicij je ustvarila celotno znanstveno smer, ki jo je prejelanaslov: "Tehnična termodinamika". V termodinamiki so bile narejene številne predpostavke, ki nikakor ne zmanjšajo glavnih zaključkov. Delovna tekočina je efemerni plin (v naravi ne obstaja), ki ga je mogoče stisniti na nič volumna, katerega molekule med seboj ne delujejo. V naravi obstajajo samo pravi plini, ki imajo dobro opredeljene lastnosti, ki se razlikujejo od idealnega plina.
Za obravnavanje modelov dinamike delovne tekočine so bili predlagani zakoni termodinamike, ki opisujejo glavne termodinamične procese, kot so:
- izohorični proces je proces, ki se izvaja brez spreminjanja prostornine delovne tekočine. Izohorični procesni pogoj, v=const;
- izobarni proces je postopek, ki se izvaja brez spreminjanja tlaka v delovni tekočini. Izobarični procesni pogoj, P=const;
- izotermni (izotermični) proces je proces, ki se izvaja ob ohranjanju temperature na dani ravni. Stanje izotermnega procesa, T=const;
- adiabatski proces (adiabatski, kot ga imenujejo sodobni toplotni inženirji) je proces, ki se izvaja v prostoru brez izmenjave toplote z okoljem. Stanje adiabatskega procesa, q=0;
- politropni proces - to je najbolj posplošen proces, ki opisuje vse zgornje termodinamične procese, pa tudi vse druge, ki jih je mogoče izvesti v cilindru s premičnim batom.
Med ustvarjanjem prvih toplotnih motorjev so iskali cikel, v katerem lahko dosežete najvišjo učinkovitost(učinkovitost). Sadi Carnot, ki je raziskoval celoto termodinamičnih procesov, je po naključju prišel do razvoja lastnega cikla, ki je dobil svoje ime - Carnotov cikel. Zaporedoma izvaja izotermični, nato adiabatni proces stiskanja. Delovna tekočina po izvedbi teh procesov ima rezervo notranje energije, vendar cikel še ni zaključen, zato se delovna tekočina razširi in izvede izotermični ekspanzijski proces. Za dokončanje cikla in vrnitev na prvotne parametre delovne tekočine se izvede postopek adiabatskega raztezanja.
Carnot je dokazal, da izkoristek v njegovem ciklu doseže maksimum in je odvisen le od temperatur obeh izoterm. Večja kot je razlika med njima, temu primerno večji je toplotni izkoristek. Poskusi izdelave toplotnega stroja po Carnotovem ciklu niso bili uspešni. To je idealen cikel, ki ga ni mogoče izpolniti. Toda dokazal je glavno načelo drugega zakona termodinamike o nezmožnosti pridobitve dela, ki je enako stroškom toplotne energije. Za drugi zakon termodinamike so bile oblikovane številne definicije, na podlagi katerih je Rudolf Clausius uvedel pojem entropije. Glavni zaključek njegove raziskave je, da se entropija nenehno povečuje, kar vodi v toplotno "smrt".
Najpomembnejši Clausiusov dosežek je bilo razumevanje bistva adiabatskega procesa, ko se izvaja, se entropija delovne tekočine ne spremeni. Zato je po Clausiusu adiabatski proces s=const. Tukaj je s entropija, ki daje drugo ime procesu, ki se izvaja brez dovajanja ali odvzema toplote, izentropski proces. Znanstvenik je isk altak cikel toplotnega stroja, kjer ne bi prišlo do povečanja entropije. A mu to na žalost ni uspelo. Zato je sklepal, da toplotnega motorja sploh ni mogoče ustvariti.
A niso bili vsi raziskovalci tako pesimistični. Iskali so prave cikle za toplotne motorje. Kot rezultat njihovega iskanja je Nikolaus August Otto ustvaril lasten cikel toplotnega motorja, ki se zdaj izvaja v bencinskih motorjih. Tu se izvedeta adiabatski proces stiskanja delovne tekočine in izohorična oskrba s toploto (izgorevanje goriva pri konstantni prostornini), nato se pojavi adiabatsko raztezanje (delo opravlja delovna tekočina v procesu povečanja svoje prostornine) in izohorična odvajanje toplote. Prvi motorji z notranjim zgorevanjem Ottovega cikla so kot gorivo uporabljali gorljive pline. Veliko pozneje so bili izumljeni uplinjači, ki so začeli ustvarjati mešanice zraka in bencina z bencinskimi hlapi in jih dovajati v cilinder motorja.
V Ottovem ciklu se gorljiva zmes stisne, zato je njena kompresija razmeroma majhna – gorljiva zmes nagiba k detonaciji (eksplodira, ko so doseženi kritični tlaki in temperature). Zato je delo med postopkom adiabatnega stiskanja razmeroma majhno. Tu je predstavljen še en koncept: kompresijsko razmerje je razmerje med celotno prostornino in prostornino stiskanja.
Iskanje načinov za povečanje energetske učinkovitosti goriva se je nadaljevalo. Povečanje učinkovitosti je bilo opaženo pri povečanju kompresijskega razmerja. Rudolf Diesel je razvil lasten cikel, v katerem se dovaja toplotapri konstantnem tlaku (v izobarnem procesu). Njegov cikel je bil osnova za motorje, ki uporabljajo dizelsko gorivo (imenovano tudi dizelsko gorivo). Dizelski cikel ne stisne gorljive mešanice, temveč zrak. Zato naj bi delo potekalo v adiabatnem procesu. Temperatura in tlak na koncu kompresije sta visoka, zato se gorivo vbrizga skozi injektorje. Meša se z vročim zrakom, tvori gorljivo zmes. Izgoreva, medtem ko se notranja energija delovne tekočine poveča. Nadalje, širitev plina poteka vzdolž adiabate, nastane delovni hod.
Poskus implementacije dizelskega cikla v toplotne motorje ni uspel, zato je Gustav Trinkler ustvaril kombinirani cikel Trinkler. Uporablja se v današnjih dizelskih motorjih. V ciklu Trinkler se toplota dovaja vzdolž izohore in nato vzdolž izobare. Šele po tem se izvede adiabatski proces raztezanja delovne tekočine.
Po analogiji z batnimi toplotnimi motorji delujejo tudi turbinski motorji. Toda v njih se proces odvzema toplote po zaključku uporabne adiabatne ekspanzije plina izvaja vzdolž izobare. Na letalih s plinskoturbinskimi in turbopropelerskimi motorji se adiabatski proces zgodi dvakrat: med stiskanjem in raztezanjem.
Za utemeljitev vseh temeljnih konceptov adiabatnega procesa so bile predlagane formule za izračun. Tukaj se pojavi pomembna količina, imenovana adiabatni eksponent. Njegova vrednost za dvoatomski plin (kisik in dušik sta glavna dvoatomska plina, prisotna v zraku) je 1,4. Za izračunadiabatnega eksponenta se uporabita še dve zanimivi lastnosti, in sicer: izobarična in izohorična toplotna kapaciteta delovne tekočine. Njihovo razmerje k=Cp/Cv je adiabatni eksponent.
Zakaj se adiabatski proces uporablja v teoretičnih ciklih toplotnih motorjev? Pravzaprav se izvajajo politropni procesi, vendar je zaradi dejstva, da se odvijajo z veliko hitrostjo, običajno domnevati, da ni izmenjave toplote z okoljem.
90 % električne energije proizvedejo termoelektrarne. Kot delovno tekočino uporabljajo vodno paro. Pridobiva se z vrenjem vode. Za povečanje delovnega potenciala pare se pregreje. Pregreta para se nato pod visokim tlakom dovaja v parno turbino. Tukaj poteka tudi adiabatski proces parnega raztezanja. Turbina se vrti, prenese se v električni generator. To pa proizvaja električno energijo za potrošnike. Parne turbine delujejo po Rankineovem ciklu. V idealnem primeru je povečanje učinkovitosti povezano tudi s povečanjem temperature in tlaka vodne pare.
Kot je razvidno iz zgornjega, je adiabatski proces zelo pogost pri proizvodnji mehanske in električne energije.
