できる熱機関を作るために熱を利用して仕事をするためには、一定の条件を整える必要があります。まず、熱機関は循環モードで動作する必要があります。このモードでは、一連の連続した熱力学的プロセスによってサイクルが作成されます。サイクルの結果として、可動ピストンを備えたシリンダーに封入されたガスが仕事をします。ただし、定期的に稼働する機械には1サイクルでは不十分であり、一定時間サイクルを何度も実行する必要があります。実際に特定の時間に実行された作業の合計を時間で割ると、もう1つの重要な概念である力が得られます。
19世紀半ば、最初のサーマル車。彼らは仕事をしましたが、燃料の燃焼によって発生する大量の熱を消費しました。理論物理学者が次の質問を投げかけたのはその時でした。「ガスは熱機関でどのように機能しますか？最小限の燃料消費で最大のパフォーマンスを得るには？」
ガス分析を行うには、定義と概念のシステム全体を紹介します。すべての定義の全体が、「技術的熱力学」という名前を付けられた全体的な科学的方向性を生み出しました。熱力学では、主な結論を少なくとも損なうことのない多くの仮定がなされてきました。作動流体は（自然界には存在しない）一時的なガスであり、ゼロ体積に圧縮することができ、その分子は互いに相互作用しません。周囲の自然の中には、理想気体とは異なる非常に明確な特性を持つ実在気体しかありません。
作動流体のダイナミクスのモデルを検討するために、熱力学の法則が提案されました。これは、次のような主な熱力学プロセスを説明しています。
- 定積過程は、作動流体の量を変えずに実行される過程です。定積過程の条件、v = const;
- 等圧プロセスは、作動流体の圧力を変更せずに実行されるプロセスです。等圧プロセスの条件、P = const;
- 等温（等温）プロセスは、温度を特定のレベルに維持しながら実行されるプロセスです。等温プロセス条件、T = const;
- 断熱プロセス（現代の熱工学で呼ばれる断熱プロセス）は、環境と熱を交換することなく宇宙で実行されるプロセスです。断熱プロセスの条件、q = 0;
- ポリトロープ過程は、上記のすべての熱力学的過程、および可動ピストンを備えたシリンダー内で実行できる他のすべての過程を説明する最も一般化された過程です。
最初の熱機関の作成中に、彼らは探していました最高の効率（効率）を得ることができるサイクル。サディ・カルノーは、熱力学的プロセスの全体を気まぐれに探求し、彼の名前を受け取った彼のサイクル、つまりカルノーサイクルの開発に着手しました。その中で、等温圧縮プロセス、次に断熱圧縮プロセスが順番に実行されます。これらのプロセスを完了した後、作業体には内部エネルギーが蓄えられますが、サイクルはまだ完了していないため、作業体は膨張し、等温膨張プロセスを実行します。サイクルを終了して作動流体の元のパラメータに戻すために、断熱膨張プロセスが実行されます。
カルノーは、彼のサイクルの効率がに達することを証明しました最大であり、2つの等温線の温度のみに依存します。それらの差が大きいほど、それに応じて熱効率も高くなります。カルノーサイクルに従って熱機関を作成する試みは、成功を収めていません。これは不可能な完璧なサイクルです。しかし、彼は、熱エネルギーのコストに等しい仕事を得ることが不可能であるという熱力学の第二法則の主な原理を証明しました。熱力学の第二法則（法則）のいくつかの定義が定式化され、それに基づいてルドルフ・クラウジウスはエントロピーの概念を導入しました。彼の研究の主な結論は、エントロピーが絶えず増加しており、それが熱的な「死」につながるということです。
クラウジウスの最も重要な成果は断熱プロセスの本質を理解し、その実装中、作動流体のエントロピーは変化しません。したがって、クラウジウスの断熱過程はs = constです。ここで、sはエントロピーであり、熱の供給または除去なしで実行されるプロセスに別の名前を付けます-等エントロピープロセス。科学者は、エントロピーの増加がないような熱機関のサイクルを探していました。しかし、残念ながら、彼はこれを作成できませんでした。したがって、彼は熱機関をまったく作成できないと推測しました。
しかし、すべての研究者がそれほど傾倒したわけではありません。悲観的。彼らは熱機関の実際のサイクルを探していました。彼らの調査の結果、ニコラウス・オーガスト・オットーは独自の熱機関サイクルを作成しました。これは現在、ガソリンエンジンに実装されています。ここでは、作動流体の圧縮と定積熱供給（一定体積での燃料の燃焼）の断熱プロセスが実行され、次に膨張断熱が現れます（仕事はその体積を増加させるプロセスで作動流体によって行われます）。定積熱除去。オットーサイクルの最初の内燃機関は、可燃性ガスを燃料として使用していました。ずっと後に、キャブレターが発明されました。それは、空気とガソリン蒸気の燃料と空気の混合物を作り始め、それらをエンジンシリンダーに供給し始めました。
オットーサイクルは可燃性混合物を圧縮するため、その圧縮の大きさは比較的小さいです-可燃性混合物は爆発する傾向があります（臨界圧力と温度に達すると爆発します）。したがって、断熱圧縮プロセスでの作業は比較的小さいです。ここでは、別の概念を紹介します。圧縮率は、圧縮ボリュームに対する総ボリュームの比率です。
効率を上げる方法を見つける燃料エネルギーの使用は継続しました。圧縮比の増加で効率の増加が見られました。ルドルフ・ディーゼルは、熱が一定の圧力で（等圧プロセスで）供給される独自のサイクルを開発しました。そのサイクルは、ディーゼル燃料（ディーゼル燃料とも呼ばれる）を使用するエンジンの基礎を形成しました。ディーゼルサイクルでは、可燃性混合物は圧縮されませんが、空気が圧縮されます。したがって、彼らは仕事が断熱過程で行われると言います。圧縮終了時の温度と圧力が高いため、燃料はインジェクターから噴射されます。それは熱風と混合して可燃性混合物を形成します。作動流体の内部エネルギーが増加する間、それは燃え尽きます。さらに、ガスの膨張は断熱に沿って進行し、作業ストロークが実行されます。
熱でディーゼルサイクルを実装する試みマシンが故障したため、GustavTrinklerはTrinklerCombinedCycleを作成しました。今日のディーゼルエンジンに使用されています。トリンクラーサイクルでは、熱はアイソコアに沿って供給され、次にアイソバーに沿って供給されます。この後、作動流体の膨張の断熱プロセスが実行されます。
ピストン熱機関との類推によるタービンのものも機能します。しかし、それらでは、ガスの有用な断熱膨張の完了後の熱除去のプロセスは、同重体に従って実行されます。ガスタービンとターボプロップエンジンを搭載した飛行機では、断熱プロセスは圧縮と膨張の2回発生します。
すべての基本的な概念を実証する断熱プロセス、計算式が提案されました。ここに断熱指数と呼ばれる重要な量があります。二原子ガス（酸素と窒素は空気中に見られる主な二原子ガス）の値は1.4です。断熱指数を計算するために、さらに2つの興味深い特性が使用されます。つまり、作動流体の等圧および等圧熱容量です。それらの比率k = Cp / Cvは断熱指数です。
なぜ熱機関の理論サイクルで断熱プロセスが使用されていますか？実際には、ポリトロープ過程が実行されますが、それらは高速で発生するため、環境との熱交換はないと想定するのが通例です。
電気の90％は熱によって生成されます発電所。彼らは作動媒体として水蒸気を使用します。お湯を沸かして得られます。蒸気の作動可能性を高めるために、蒸気は過熱されています。次に、過熱蒸気は高圧で蒸気タービンに供給されます。これは、蒸気膨張の断熱プロセスが行われる場所でもあります。タービンが回転し、発電機に送られます。その結果、消費者のために電力が生成されます。蒸気タービンはランキンサイクルで作動します。理想的には、効率の向上は、水蒸気の温度と圧力の上昇にも関連しています。
上記からわかるように、断熱プロセスは、機械的および電気的エネルギーの生成において非常に広まっています。
