Жылуулукту колдонуу менен жумуш жасай ала турган жылуулук кыймылдаткычын куруу үчүн белгилүү бир шарттарды түзүү керек. Биринчиден, жылуулук кыймылдаткычы циклдик режимде иштеши керек, мында бир катар термодинамикалык процесстер циклди жаратат. Циклдин натыйжасында кыймылдуу поршени бар цилиндрге камтылган газ иштейт. Бирок мезгил-мезгили менен иштеп жаткан машина үчүн бир цикл жетишсиз, ал белгилүү бир убакыт ичинде циклдерди кайра-кайра аткарышы керек. Чындыгында белгилүү бир убакыттын ичинде аткарылган жалпы иш убакытка бөлүнгөндө дагы бир маанилүү түшүнүктү берет - күч.
19-кылымдын ортосунда биринчи жылуулук кыймылдаткычтары жаралган. Алар иштешти, бирок күйүүчү майдын күйүүсүнөн алынган жылуулукту көп сарпташты. Дал ошондо теориялык физиктер өздөрүнө мындай суроолорду беришкен: «Жылуулук кыймылдаткычында газ кандай иштейт? Минималдуу күйүүчү май менен кантип максималдуу майнаптуулукка жетсе болот?"
Газ ишине анализ жүргүзүү үчүн аныктамалардын жана түшүнүктөрдүн бүтүндөй системасын киргизүү зарыл болгон. Бардык аныктамалардын жыйындысы алынган бүтүндөй илимий багытты түздүаталышы: «Техникалык термодинамика». Термодинамикада негизги тыянактарды эч кандай бузбай турган бир катар божомолдор жасалган. Жумушчу суюктук – бул эфемердик газ (жаратылышта жок), ал нөл көлөмгө чейин кысылышы мүмкүн, молекулалары бири-бири менен аракеттенбейт. Жаратылышта идеалдуу газдан айырмаланган так аныкталган касиеттерге ээ чыныгы газдар гана бар.
Жумушчу суюктуктун динамикасынын моделдерин карап чыгуу үчүн негизги термодинамикалык процесстерди сүрөттөгөн термодинамикалык мыйзамдар сунушталган, мисалы:
- изохорикалык процесс – жумушчу суюктуктун көлөмүн өзгөртпөстөн аткарылуучу процесс. Изохорикалык процесс шарты, v=const;
- изобарикалык процесс – жумушчу суюктуктагы басымды өзгөртпөстөн аткарылуучу процесс. Изобарикалык процесс шарты, P=const;
- изотермиялык (изотермиялык) процесс – температураны берилген деңгээлде кармап туруу менен аткарылуучу процесс. Изотермикалык процесстин шарты, T=const;
- адиабаттык процесс (адиабаттык, азыркы жылуулук инженерлери мындай деп аташат) – чөйрө менен жылуулук алмашуусуз космосто аткарылуучу процесс. Адиабаттык процесс шарты, q=0;
- политропикалык процесс - бул жогоруда айтылган термодинамикалык процесстердин бардыгын, ошондой эле кыймылдуу поршени бар цилиндрде аткарууга мүмкүн болгон бардык башка процесстерди сүрөттөгөн эң жалпыланган процесс.
Биринчи жылуулук кыймылдаткычтарын түзүү учурунда алар сиз эң жогорку эффективдүүлүктү ала турган циклди издешкен.(эффективдүүлүк). Сади Карно термодинамикалык процесстердин жыйындысын изилдеп, өз каалоосу боюнча өзүнүн циклин иштеп чыгууга келди, ал өзүнүн атын – Карно циклин алган. Ал ырааттуу түрдө изотермиялык, андан кийин адиабаттык кысуу процессин аткарат. Жумушчу суюктук бул процесстерди аткаргандан кийин ички энергиянын запасына ээ болот, бирок цикл бүтө элек, ошондуктан жумушчу суюктук кеңейип, изотермиялык кеңейүү процессин аткарат. Циклды аяктоо жана жумушчу суюктуктун баштапкы параметрлерине кайтуу үчүн адиабаттык кеңейүү процесси аткарылат.
Карно анын циклиндеги эффективдүүлүк максимумга жетээрин жана эки изотерманын температурасына гана көз каранды экенин далилдеди. Алардын ортосундагы айырма канчалык жогору болсо, ошончолук жогору жылуулук эффективдүүлүгү. Карно цикли боюнча жылуулук кыймылдаткычын түзүү аракети ийгиликтүү болгон жок. Бул идеалдуу цикл, аны аткарууга болбойт. Бирок ал жылуулук энергиясынын өздүк наркына барабар жумуш алуу мүмкүн эместиги жөнүндө термодинамиканын экинчи мыйзамынын негизги принцибин далилдеди. Термодинамиканын экинчи мыйзамы үчүн бир катар аныктамалар түзүлүп, анын негизинде Рудольф Клаузиус энтропия түшүнүгүн киргизген. Анын изилдөөсүнүн негизги тыянагы - энтропия тынымсыз жогорулап, термикалык "өлүмгө" алып келет.
Клаузиустун эң маанилүү жетишкендиги адиабаттык процесстин маңызын түшүнүүсү болду, ал аткарылганда жумушчу суюктуктун энтропиясы өзгөрбөйт. Демек, Клаузиустун пикири боюнча адиабаттык процесс s=const. Бул жерде s - энтропия, ал жылуулук берилбестен же алынбастан аткарылуучу процесске, изонтроптук процесске башка ат берет. Окумуштуу издеп жүргөнжылуулук кыймылдаткычынын мындай цикли, анда энтропиянын өсүшү болбойт. Бирок, тилекке каршы, ал ишке ашыра алган жок. Ошондуктан, ал жылуулук кыймылдаткычын таптакыр жаратуу мүмкүн эмес деген жыйынтыкка келген.
Бирок бардык изилдөөчүлөр мынчалык пессимисттик маанайда болгон эмес. Алар жылуулук кыймылдаткычтары үчүн реалдуу циклдерди издеп жатышкан. Алардын издөөлөрүнүн натыйжасында Николаус Август Отто жылуулук кыймылдаткычынын өзүнүн циклин жараткан, ал азыр бензин кыймылдаткычтарында ишке ашырылууда. Бул жерде жумушчу суюктуктун кысуусунун адиабаттык процесси жана изохоралык жылуулук берүү (туруктуу көлөмдө күйүүчү майдын күйүшү) ишке ашат, андан кийин адиабаттык кеңейүү пайда болот (жумушчу суюктук анын көлөмүн көбөйтүү процессинде аткарат) жана изохоралык жылуулук алып салуу. Оттон циклинин биринчи ичинен күйүүчү кыймылдаткычтары күйүүчү газдарды күйүүчү май катары колдонушкан. Бир топ убакыт өткөндөн кийин, карбюраторлор ойлоп табылган, алар бензин буулары менен абанын бензин-аба аралашмасын түзүп, аларды кыймылдаткычтын цилиндрине бере баштаган.
Отто циклде күйүүчү аралашма кысылган, ошондуктан анын кысуу салыштырмалуу аз - күйүүчү аралашма жарылууга умтулат (критикалык басымга жана температурага жеткенде жарылат). Демек, адиабаттык кысуу процессиндеги жумуш салыштырмалуу аз. Бул жерде дагы бир түшүнүк киргизилет: кысуу катышы – бул жалпы көлөмдүн кысуу көлөмүнө катышы.
Отун энергиясынын натыйжалуулугун жогорулатуунун жолдорун издөө улантылды. Натыйжалуулуктун жогорулашы кысуу коэффициентинин жогорулашынан байкалды. Рудольф Дизель жылуулук менен камсыз болгон өзүнүн циклин иштеп чыккантуруктуу басымда (изобардык процессте). Анын цикли дизелдик отун колдонгон кыймылдаткычтардын негизин түзгөн (ал дизель майы деп да аталат). Дизель цикли күйүүчү аралашманы эмес, абаны кысып турат. Демек, иш адиабаттык процессте жасалат деп айтылат. Кысуунун аягындагы температура жана басым жогору, ошондуктан күйүүчү май инжекторлор аркылуу куюлат. Ал ысык аба менен аралашып, күйүүчү аралашманы пайда кылат. Ал күйүп кетет, ал эми жумушчу суюктуктун ички энергиясы көбөйөт. Андан ары газдын кеңейүүсү адиабаттык сызык боюнча жүрүп, жумушчу сокку жасалат.
Дизель циклин жылуулук кыймылдаткычтарында ишке ашыруу аракети ишке ашкан жок, ошондуктан Густав Тринклер бириккен Тринклер циклин түзгөн. Ал азыркы кездеги дизелдик кыймылдаткычтарда колдонулат. Тринклердин циклинде жылуулук изохораны бойлой, анан изобарды бойлото берилет. Ошондон кийин гана жумушчу суюктуктун адиабаталык кеңейүү процесси ишке ашырылат.
Поршендүү жылуулук кыймылдаткычтарына окшоштук боюнча турбиналык кыймылдаткычтар да иштейт. Бирок аларда газдын пайдалуу адиабаттык кеңейүүсү аяктагандан кийин жылуулукту бөлүп алуу процесси изобар боюнча жүргүзүлөт. Газ турбинасы жана турбовинттүү кыймылдаткычтары бар учактарда адиабаттык процесс эки жолу болот: кысуу жана кеңейүү учурунда.
Адиабаттык процесстин бардык негизги түшүнүктөрүн негиздөө үчүн эсептөө формулалары сунушталды. Бул жерде адиабаттык көрсөткүч деп аталган маанилүү чоңдук пайда болот. Анын эки атомдуу газ үчүн мааниси (кычкылтек жана азот абада болгон негизги эки атомдуу газдар) 1.4. Эсептөө үчүнадиабаттык көрсөткүч, дагы эки кызыктуу мүнөздөмө колдонулат, атап айтканда: жумушчу суюктуктун изобардык жана изохоралык жылуулук сыйымдуулуктары. Алардын катышы k=Cp/Cv адиабаттык көрсөткүч.
Адиабаттык процесс эмне үчүн жылуулук кыймылдаткычтарынын теориялык циклдеринде колдонулат? Чындыгында политроптук процесстер ишке ашат, бирок алар жогорку ылдамдыкта жүргөндүктөн, айлана-чөйрө менен жылуулук алмашуу болбойт деп эсептөө адатка айланган.
90% электр энергиясын ТЭЦ өндүрөт. Алар жумушчу суюктук катары суу буусун колдонушат. Ал кайнак суу менен алынат. Буунун жумушчу потенциалын жогорулатуу үчүн ал өтө ысытылат. Андан кийин өтө ысытылган буу жогорку басымда буу турбинасына берилет. Бул жерде буу кеңейүү адиабаттык процесси да жүрөт. Турбина айланууну кабыл алат, ал электр генераторуна өткөрүлүп берилет. Бул өз кезегинде керектөөчүлөр үчүн электр энергиясын иштеп чыгат. Буу турбиналары Ренкин циклинде иштейт. Идеалында эффективдүүлүктү жогорулатуу суунун буусунун температурасынын жана басымынын жогорулашы менен да байланыштуу.
Жогорудан көрүнүп тургандай, адиабаттык процесс механикалык жана электр энергиясын өндүрүүдө абдан кеңири таралган.
