Дулаан ашиглан ажил хийх боломжтой дулааны машин бүтээхийн тулд та тодорхой нөхцлийг бүрдүүлэх хэрэгтэй. Юуны өмнө дулааны хөдөлгүүр нь циклийн горимд ажиллах ёстой бөгөөд дараалсан термодинамик процессууд нь мөчлөг үүсгэдэг. Циклийн үр дүнд хөдлөх поршений цилиндрт хаалттай хий ажилладаг. Гэхдээ үе үе ажиллаж байгаа машинд нэг цикл хангалтгүй, тодорхой хугацаанд дахин дахин цикл хийх ёстой. Бодит байдал дээр өгөгдсөн хугацаанд гүйцэтгэсэн нийт ажлыг цаг хугацаагаар хуваах нь өөр нэг чухал ойлголтыг өгдөг - хүч.
19-р зууны дунд үед анхны дулааны хөдөлгүүрүүд бий болсон. Тэд ажил хийсэн боловч түлшний шаталтаас олж авсан их хэмжээний дулааныг зарцуулсан. Тэр үед онолын физикчид өөрөөсөө “Дулааны хөдөлгүүрт хий хэрхэн ажилладаг вэ? Хамгийн бага түлш зарцуулснаар хэрхэн дээд зэргийн гүйцэтгэлтэй болох вэ?"
Хийн ажилд дүн шинжилгээ хийхийн тулд бүхэл бүтэн тодорхойлолт, ойлголтын системийг нэвтрүүлэх шаардлагатай байв. Бүх тодорхойлолтуудын нийлбэр нь хүлээн авсан шинжлэх ухааны бүхэл бүтэн чиглэлийг бий болгосонГарчиг: "Техникийн термодинамик". Термодинамикийн хувьд үндсэн дүгнэлтийг ямар ч байдлаар үгүйсгэхгүй хэд хэдэн таамаглал дэвшүүлсэн. Ажлын шингэн нь молекулууд нь хоорондоо харилцан үйлчлэлцдэггүй түр зуурын хий (байгальд байдаггүй) бөгөөд тэг эзэлхүүн хүртэл шахаж болно. Байгальд зөвхөн идеал хийнээс ялгаатай, тодорхой шинж чанартай жинхэнэ хийнүүд л байдаг.
Ажлын шингэний динамикийн загваруудыг авч үзэхийн тулд термодинамикийн хуулиудыг санал болгож, үндсэн термодинамик процессуудыг тодорхойлсон:
- изохорийн процесс нь ажлын шингэний эзэлхүүнийг өөрчлөхгүйгээр хийгддэг процесс юм. Изохорик процессын нөхцөл, v=const;
- изобарик процесс нь ажлын шингэний даралтыг өөрчлөхгүйгээр хийгддэг процесс юм. Изобарик процессын нөхцөл, P=const;
- изотерм (изотерм) процесс нь температурыг өгөгдсөн түвшинд барих явцад хийгддэг процесс юм. Изотерм процессын нөхцөл, T=const;
- адиабат процесс (орчин үеийн дулааны инженерүүд үүнийг адиабат гэж нэрлэдэг) нь хүрээлэн буй орчинтой дулаан солилцохгүйгээр сансарт хийгддэг процесс юм. Адиабат процессын нөхцөл, q=0;
- политроп процесс - энэ нь дээр дурдсан бүх термодинамик процессууд болон хөдлөх поршений цилиндрт гүйцэтгэх боломжтой бусад бүх процессуудыг тодорхойлсон хамгийн ерөнхий процесс юм.
Анхны дулааны хөдөлгүүрийг бүтээх явцад тэд хамгийн их үр ашигтай ажиллах циклийг хайж байсан.(үр ашиг). Сади Карно термодинамик үйл явцын нийлбэрийг судалж байхдаа өөрийн хүссэнээр өөрийн циклийг боловсруулж, Карногийн мөчлөг гэж нэрлэжээ. Энэ нь дараалсан изотерм, дараа нь адиабат шахалтын процессыг гүйцэтгэдэг. Эдгээр процессуудыг гүйцэтгэсний дараа ажлын шингэн нь дотоод энергийн нөөцтэй байдаг боловч мөчлөг нь хараахан дуусаагүй байгаа тул ажлын шингэн нь тэлж, изотерм тэлэлтийн процессыг гүйцэтгэдэг. Циклийг дуусгаж, ажлын шингэний анхны параметрүүд рүү буцахын тулд адиабат тэлэлтийн процессыг гүйцэтгэдэг.
Карно түүний мөчлөгийн үр ашиг хамгийн дээд хэмжээнд хүрдэг бөгөөд зөвхөн хоёр изотермийн температураас хамаардаг болохыг баталсан. Тэдний хоорондох ялгаа өндөр байх тусам дулааны үр ашиг өндөр байх болно. Карногийн мөчлөгийн дагуу дулааны хөдөлгүүрийг бий болгох оролдлого амжилтгүй болсон. Энэ бол биелэх боломжгүй хамгийн тохиромжтой мөчлөг юм. Гэхдээ тэр дулааны энергийн өртөгтэй тэнцэх хэмжээний ажил олж авах боломжгүй гэсэн термодинамикийн хоёр дахь хуулийн гол зарчмыг нотолсон. Термодинамикийн хоёр дахь хуульд хэд хэдэн тодорхойлолтыг томъёолсон бөгөөд үүний үндсэн дээр Рудольф Клаузиус энтропи гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлсэн. Түүний судалгааны гол дүгнэлт нь энтропи байнга нэмэгдэж байгаа нь дулааны "үхэл"-д хүргэдэг.
Клаузиусын хамгийн чухал ололт бол адиабат процессын мөн чанарыг ойлгох явдал байсан бөгөөд түүнийг гүйцэтгэх үед ажлын шингэний энтропи өөрчлөгддөггүй. Тиймээс Клаусиусын хэлснээр адиабат процесс нь s=const байна. Энд s нь энтропи бөгөөд энэ нь дулааныг нийлүүлэх эсвэл зайлуулахгүйгээр гүйцэтгэсэн процессыг изоэнтропик процесс гэж өөр нэрээр нэрлэдэг. Эрдэмтэн хайж байсанэнтропи нэмэгдэхгүй дулааны хөдөлгүүрийн ийм мөчлөг. Гэвч харамсалтай нь тэр үүнийг хийж чадсангүй. Тиймээс тэрээр дулааны хөдөлгүүрийг огт бүтээх боломжгүй гэж дүгнэсэн.
Гэхдээ бүх судлаачид тийм ч гутранги үзэлтэй байгаагүй. Тэд дулааны хөдөлгүүрийн жинхэнэ циклийг хайж байсан. Тэдний эрэл хайгуулын үр дүнд Николаус Август Отто өөрийн дулааны хөдөлгүүрийн циклийг бүтээсэн бөгөөд одоо бензин хөдөлгүүрт хэрэгжиж байна. Энд ажлын шингэнийг шахах адиабат процесс ба изохорик дулаан хангамж (тогтмол эзэлхүүнтэй түлш шатаах) явагддаг бөгөөд дараа нь адиабат тэлэлт гарч ирдэг (ажил эзэлхүүнийг нэмэгдүүлэх явцад ажлын шингэнээр хийгддэг) ба изохорик. дулааныг зайлуулах. Оттогийн циклийн анхны дотоод шаталтат хөдөлгүүрүүд шатамхай хийг түлш болгон ашигладаг байв. Хожим нь карбюраторууд зохион бүтээгдсэн бөгөөд энэ нь бензиний ууртай агаарыг бензин-агаарын хольц үүсгэж, хөдөлгүүрийн цилиндрт нийлүүлж эхэлсэн.
Оттогийн мөчлөгт шатамхай хольц нь шахагддаг тул түүний шахалт харьцангуй бага байдаг - шатамхай хольц нь тэсрэх хандлагатай байдаг (эгзэгтэй даралт, температурт хүрэх үед дэлбэрдэг). Тиймээс адиабат шахалтын процессын ажил харьцангуй бага байдаг. Өөр нэг ойлголтыг энд танилцуулж байна: шахалтын харьцаа нь нийт эзэлхүүнийг шахалтын эзлэхүүнтэй харьцуулсан харьцаа юм.
Түлшний эрчим хүчний хэмнэлтийг нэмэгдүүлэх арга замыг эрэлхийлсээр байв. Шахалтын харьцаа нэмэгдсэнээр үр ашгийн өсөлт ажиглагдсан. Рудольф Дизель дулаанаар хангадаг өөрийн циклийг боловсруулсантогтмол даралттай үед (изобарын процесст). Түүний мөчлөг нь дизель түлш хэрэглэдэг хөдөлгүүрүүдийн үндэс суурь болсон (үүнийг дизель түлш гэж нэрлэдэг). Дизель түлш нь шатамхай хольцыг шахдаггүй, харин агаарыг шахдаг. Тиймээс ажлыг адиабат процессоор хийдэг гэж ярьдаг. Шахалтын төгсгөлд температур, даралт өндөр байдаг тул түлшийг форсункаар шахдаг. Энэ нь халуун агаартай холилдож, шатамхай хольц үүсгэдэг. Энэ нь шатаж, ажлын шингэний дотоод энерги нэмэгддэг. Цаашилбал, хийн тэлэлт нь адиабатын дагуу явж, ажлын цус харвалт хийгдэнэ.
Дулааны хөдөлгүүрт дизель циклийг хэрэгжүүлэх оролдлого бүтэлгүйтсэн тул Густав Тринклер хосолсон Trinkler циклийг бүтээжээ. Энэ нь өнөөгийн дизель хөдөлгүүрт ашиглагддаг. Тринклерийн мөчлөгт дулааныг изохорын дагуу, дараа нь изобарын дагуу өгдөг. Үүний дараа л ажлын шингэний тэлэлтийн адиабат процесс явагдана.
Порстын дулааны хөдөлгүүртэй адил турбин хөдөлгүүрүүд бас ажилладаг. Гэхдээ тэдгээрт хийн ашигтай адиабат тэлэлт дууссаны дараа дулааныг зайлуулах үйл явц изобарын дагуу явагддаг. Хийн турбин болон турбовинт хөдөлгүүртэй онгоцонд адиабат процесс хоёр удаа явагдана: шахах болон тэлэх үед.
Адиабат процессын бүх үндсэн ойлголтыг батлахын тулд тооцооллын томъёог санал болгосон. Энд адиабат экспонент гэж нэрлэгддэг чухал хэмжигдэхүүн гарч ирнэ. Хоёр атомт хийн хувьд түүний утга (хүчилтөрөгч ба азот нь агаарт агуулагдах гол хоёр атомт хий юм) 1.4. Тооцоолохадиабат экспонентын хувьд өөр хоёр сонирхолтой шинж чанарыг ашигладаг, тухайлбал: ажлын шингэний изобар ба изохорик дулааны багтаамж. Тэдний k=Cp/Cv харьцаа нь адиабат илтгэгч юм.
Яагаад адиабат процессыг дулааны хөдөлгүүрийн онолын циклд ашигладаг вэ? Үнэн хэрэгтээ политропик процессууд явагддаг боловч өндөр хурдтай явагддаг тул хүрээлэн буй орчинтой дулаан солилцоо байхгүй гэж үздэг заншилтай байдаг.
Цахилгааны 90%-ийг дулааны цахилгаан станц үйлдвэрлэдэг. Тэд усны уурыг ажлын шингэн болгон ашигладаг. Үүнийг буцалж буй усаар олж авдаг. Уурын ажиллах чадварыг нэмэгдүүлэхийн тулд хэт халсан байна. Дараа нь хэт халсан уурыг өндөр даралтаар уурын турбин руу нийлүүлдэг. Уурын тэлэлтийн адиабат процесс мөн энд явагддаг. Турбин нь эргэлтийг хүлээн авдаг бөгөөд үүнийг цахилгаан үүсгүүрт шилжүүлдэг. Энэ нь эргээд хэрэглэгчдэд цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэдэг. Уурын турбинууд Ранкайн циклээр ажилладаг. Хамгийн тохиромжтой нь үр ашгийн өсөлт нь усны уурын температур, даралт ихсэхтэй холбоотой.
Дээрхээс харахад механик болон цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд адиабат процесс маш түгээмэл байдаг.
