Pour construire un moteur thermique qui peut fonctionner en utilisant la chaleur, vous devez créer certaines conditions. Tout d'abord, un moteur thermique doit fonctionner selon un mode cyclique, où une série de processus thermodynamiques successifs créent un cycle. À la suite du cycle, le gaz enfermé dans un cylindre à piston mobile fonctionne. Mais un cycle ne suffit pas pour une machine fonctionnant périodiquement, elle doit effectuer des cycles encore et encore pendant un certain temps. Le travail total effectué pendant un temps donné en réalité, divisé par le temps, donne un autre concept important - le pouvoir.
Au milieu du 19ème siècle, les premiers moteurs thermiques ont été créés. Ils travaillaient, mais dépensaient une grande quantité de chaleur obtenue à partir de la combustion du carburant. C'est alors que les physiciens théoriciens se sont posés des questions: « Comment fonctionne le gaz dans un moteur thermique ? Comment obtenir des performances maximales avec une consommation de carburant minimale ?"
Pour effectuer une analyse du travail du gaz, il a fallu introduire tout un système de définitions et de concepts. La totalité de toutes les définitions a créé toute une direction scientifique, qui a reçutitre: "Thermodynamique technique". En thermodynamique, un certain nombre d'hypothèses ont été faites qui n'enlèvent rien aux principales conclusions. Le fluide de travail est un gaz éphémère (n'existant pas dans la nature), qui peut être comprimé à volume nul, dont les molécules n'interagissent pas entre elles. Dans la nature, il n'y a que des gaz réels qui ont des propriétés bien définies qui sont différentes d'un gaz parfait.
Pour considérer des modèles de la dynamique du fluide de travail, les lois de la thermodynamique ont été proposées, décrivant les principaux processus thermodynamiques, tels que:
- processus isochore est un processus qui est effectué sans modifier le volume du fluide de travail. Condition de processus isochore, v=const;
- processus isobare est un processus qui s'effectue sans modifier la pression dans le fluide de travail. Condition de processus isobare, P=const;
- processus isotherme (isotherme) est un processus qui est effectué tout en maintenant la température à un niveau donné. Condition de procédé isotherme, T=const;
- processus adiabatique (adiabatique, comme l'appellent les ingénieurs thermiques modernes) est un processus effectué dans l'espace sans échange de chaleur avec l'environnement. Condition de processus adiabatique, q=0;
- processus polytropique - c'est le processus le plus généralisé qui décrit tous les processus thermodynamiques ci-dessus, ainsi que tous les autres qu'il est possible d'effectuer dans un cylindre à piston mobile.
Lors de la création des premiers moteurs thermiques, ils recherchaient un cycle permettant d'obtenir le meilleur rendement(Efficacité). Sadi Carnot, explorant la totalité des processus thermodynamiques, est venu sur un coup de tête au développement de son propre cycle, qui a reçu son nom - le cycle Carnot. Il effectue séquentiellement un processus de compression isotherme, puis adiabatique. Le fluide de travail après avoir effectué ces processus a une réserve d'énergie interne, mais le cycle n'est pas encore terminé, de sorte que le fluide de travail se dilate et effectue un processus d'expansion isotherme. Pour terminer le cycle et revenir aux paramètres d'origine du fluide de travail, un processus d'expansion adiabatique est effectué.
Carnot a prouvé que l'efficacité de son cycle atteint un maximum et ne dépend que des températures des deux isothermes. Plus la différence entre eux est élevée, plus l'efficacité thermique est élevée. Les tentatives de création d'un moteur thermique selon le cycle de Carnot n'ont pas abouti. C'est un cycle idéal qui ne peut pas être rempli. Mais il a prouvé le principe de base de la deuxième loi de la thermodynamique sur l'impossibilité d'obtenir un travail égal au coût de l'énergie thermique. Un certain nombre de définitions ont été formulées pour la deuxième loi de la thermodynamique, sur la base desquelles Rudolf Clausius a introduit le concept d'entropie. La principale conclusion de ses recherches est que l'entropie augmente constamment, ce qui conduit à la "mort" thermique.
La réalisation la plus importante de Clausius a été la compréhension de l'essence du processus adiabatique, lorsqu'il est effectué, l'entropie du fluide de travail ne change pas. Ainsi, selon Clausius, le processus adiabatique est s=const. Ici s est l'entropie, qui donne un autre nom au processus effectué sans apport ni évacuation de chaleur, le processus isentropique. Le scientifique cherchaitun tel cycle d'un moteur thermique où il n'y aurait pas d'augmentation d'entropie. Mais, malheureusement, il n'a pas réussi à le faire. Par conséquent, il en a déduit qu'un moteur thermique ne peut pas du tout être créé.
Mais tous les chercheurs n'étaient pas aussi pessimistes. Ils cherchaient de vrais cycles pour moteurs thermiques. À la suite de leurs recherches, Nikolaus August Otto a créé son propre cycle de moteur thermique, qui est maintenant implémenté dans les moteurs à essence. Ici, le processus adiabatique de compression du fluide de travail et l'apport de chaleur isochore (combustion du carburant à volume constant) sont effectués, puis l'expansion adiabatique apparaît (le travail est effectué par le fluide de travail en train d'augmenter son volume) et isochore évacuation de la chaleur. Les premiers moteurs à combustion interne du cycle Otto utilisaient des gaz combustibles comme carburant. Bien plus tard, les carburateurs ont été inventés, qui ont commencé à créer des mélanges d'air essence-air avec des vapeurs d'essence et à les fournir au cylindre du moteur.
Dans le cycle Otto, le mélange combustible est comprimé, sa compression est donc relativement faible - le mélange combustible a tendance à exploser (exploser lorsque des pressions et des températures critiques sont atteintes). Par conséquent, le travail pendant le processus de compression adiabatique est relativement faible. Un autre concept est introduit ici: le taux de compression est le rapport du volume total au volume de compression.
La recherche de moyens d'augmenter l'efficacité énergétique des carburants s'est poursuivie. Une augmentation de l'efficacité a été observée dans une augmentation du taux de compression. Rudolf Diesel a développé son propre cycle dans lequel la chaleur est fournieà pression constante (en processus isobare). Son cycle a constitué la base des moteurs utilisant du carburant diesel (on l'appelle aussi carburant diesel). Le cycle Diesel ne comprime pas le mélange combustible, mais l'air. Par conséquent, on dit que le travail se fait dans un processus adiabatique. La température et la pression en fin de compression sont élevées, donc du carburant est injecté par les injecteurs. Il se mélange à l'air chaud, forme un mélange combustible. Il brûle, tandis que l'énergie interne du fluide de travail augmente. De plus, l'expansion du gaz suit l'adiabatique, une course de travail est effectuée.
La tentative d'implémentation du cycle Diesel dans les moteurs thermiques a échoué, Gustav Trinkler a donc créé le cycle Trinkler combiné. Il est utilisé dans les moteurs diesel d'aujourd'hui. Dans le cycle de Trinkler, la chaleur est fournie le long de l'isochore puis le long de l'isobare. Ce n'est qu'après cela que le processus adiabatique d'expansion du fluide de travail est effectué.
Par analogie avec les moteurs thermiques alternatifs, les moteurs à turbine fonctionnent également. Mais en eux, le processus d'évacuation de la chaleur après l'achèvement de l'expansion adiabatique utile du gaz s'effectue le long de l'isobare. Sur les avions équipés de turbines à gaz et de turbopropulseurs, le processus adiabatique se produit deux fois: pendant la compression et la détente.
Pour étayer tous les concepts fondamentaux du processus adiabatique, des formules de calcul ont été proposées. Une quantité importante apparaît ici, appelée l'exposant adiabatique. Sa valeur pour un gaz diatomique (l'oxygène et l'azote sont les principaux gaz diatomiques présents dans l'air) est de 1,4.l'exposant adiabatique, deux autres caractéristiques intéressantes sont utilisées, à savoir: les capacités calorifiques isobare et isochore du fluide de travail. Leur rapport k=Cp/Cv est l'exposant adiabatique.
Pourquoi le processus adiabatique est-il utilisé dans les cycles théoriques des moteurs thermiques ? En fait, des processus polytropiques sont exécutés, mais du fait qu'ils se produisent à grande vitesse, il est habituel de supposer qu'il n'y a pas d'échange de chaleur avec l'environnement.
90 % de l'électricité est produite par des centrales thermiques. Ils utilisent la vapeur d'eau comme fluide de travail. Il est obtenu en faisant bouillir de l'eau. Pour augmenter le potentiel de travail de la vapeur, celle-ci est surchauffée. La vapeur surchauffée est ensuite acheminée à haute pression vers une turbine à vapeur. Le processus adiabatique d'expansion de la vapeur a également lieu ici. La turbine reçoit la rotation, elle est transférée à un générateur électrique. Cela, à son tour, génère de l'électricité pour les consommateurs. Les turbines à vapeur fonctionnent selon le cycle de Rankine. Idéalement, l'augmentation de l'efficacité est également associée à une augmentation de la température et de la pression de la vapeur d'eau.
Comme on peut le voir ci-dessus, le processus adiabatique est très courant dans la production d'énergie mécanique et électrique.
