Lai izveidotu siltuma dzinēju, kas var veikt darbu, izmantojot siltumu, jums ir jārada noteikti apstākļi. Pirmkārt, siltumdzinējam jādarbojas cikliskā režīmā, kur secīgu termodinamisko procesu virkne rada ciklu. Cikla rezultātā gāze, kas ievietota cilindrā ar kustīgu virzuli, darbojas. Bet periodiski strādājošai iekārtai ar vienu ciklu nepietiek, tai noteiktu laiku ir jāveic cikli atkal un atkal. Kopējais paveiktais darbs noteiktā laikā realitātē, dalīts ar laiku, dod vēl vienu svarīgu jēdzienu - jaudu.
19. gadsimta vidū tika radīti pirmie siltumdzinēji. Viņi strādāja, bet iztērēja lielu daudzumu siltuma, kas iegūts, sadegot kurināmo. Toreiz teorētiskie fiziķi uzdeva sev jautājumus: “Kā siltumdzinējā darbojas gāze? Kā panākt maksimālu veiktspēju ar minimālu degvielas patēriņu?”
Lai veiktu gāzes darbu analīzi, bija nepieciešams ieviest veselu definīciju un jēdzienu sistēmu. Visu definīciju kopums radīja veselu zinātnisku virzienu, kas saņēmanosaukums: "Tehniskā termodinamika". Termodinamikā ir izdarīti vairāki pieņēmumi, kas nekādā veidā nemazina galvenos secinājumus. Darba šķidrums ir īslaicīga gāze (dabā neeksistē), kuru var saspiest līdz nulles tilpumam, kuras molekulas savā starpā mijiedarbojas. Dabā ir tikai īstas gāzes, kurām ir skaidri noteiktas īpašības, kas atšķiras no ideālās gāzes.
Lai apsvērtu darba šķidruma dinamikas modeļus, tika piedāvāti termodinamikas likumi, kas apraksta galvenos termodinamiskos procesus, piemēram:
- izohoriskais process ir process, kas tiek veikts, nemainot darba šķidruma tilpumu. Izohorisks procesa nosacījums, v=const;
- izobāriskais process ir process, kas tiek veikts, nemainot spiedienu darba šķidrumā. Izobāriskā procesa nosacījums, P=const;
- izotermisks (izotermisks) process ir process, kas tiek veikts, uzturot temperatūru noteiktā līmenī. Izotermisks procesa nosacījums, T=const;
- adiabātiskais process (adiabātiskais, kā to sauc mūsdienu siltuminženieri) ir process, ko veic kosmosā bez siltuma apmaiņas ar vidi. Adiabātiskā procesa nosacījums, q=0;
- politropiskais process – šis ir visvispārinātākais process, kas apraksta visus augstāk minētos termodinamiskos procesus, kā arī visus pārējos, ko iespējams veikt cilindrā ar kustīgu virzuli.
Pirmo siltumdzinēju izveides laikā viņi meklēja ciklu, kurā var iegūt visaugstāko efektivitāti(efektivitāte). Sadi Carnot, izpētot termodinamisko procesu kopumu, pēc iegribas nonāca pie sava cikla izstrādes, kas saņēma savu nosaukumu - Kārno cikls. Tas secīgi veic izotermisku, pēc tam adiabātisku saspiešanas procesu. Darba šķidrumam pēc šo procesu veikšanas ir iekšējās enerģijas rezerves, bet cikls vēl nav pabeigts, tāpēc darba šķidrums izplešas un veic izotermisku izplešanās procesu. Lai pabeigtu ciklu un atgrieztos pie sākotnējiem darba šķidruma parametriem, tiek veikts adiabātiskās izplešanās process.
Kārnots pierādīja, ka efektivitāte viņa ciklā sasniedz maksimumu un ir atkarīga tikai no abu izotermu temperatūrām. Jo lielāka starpība starp tām, jo attiecīgi augstāka siltuma efektivitāte. Mēģinājumi izveidot siltumdzinēju atbilstoši Kārno ciklam nav bijuši veiksmīgi. Tas ir ideāls cikls, kuru nevar izpildīt. Bet viņš pierādīja otrā termodinamikas likuma galveno principu par neiespējamību iegūt darbu, kas vienāds ar siltumenerģijas izmaksām. Otrajam termodinamikas likumam tika formulētas vairākas definīcijas, uz kuru pamata Rūdolfs Klausijs ieviesa entropijas jēdzienu. Viņa pētījuma galvenais secinājums ir tāds, ka entropija nepārtraukti palielinās, kas noved pie termiskās "nāves".
Klausiusa svarīgākais sasniegums bija izpratne par adiabātiskā procesa būtību, kad to veic, darba šķidruma entropija nemainās. Tāpēc, saskaņā ar Clausius, adiabātiskais process ir s=const. Šeit s ir entropija, kas piešķir citu nosaukumu procesam, kas tiek veikts bez siltuma padeves vai noņemšanas, izentropiskais process. Zinātnieks meklējatāds siltumdzinēja cikls, kur nebūtu entropijas pieauguma. Bet diemžēl viņam tas neizdevās. Tāpēc viņš secināja, ka siltumdzinēju nemaz nevar izveidot.
Bet ne visi pētnieki bija tik pesimistiski. Viņi meklēja reālus ciklus siltumdzinējiem. Viņu meklējumu rezultātā Nikolauss Augusts Otto izveidoja savu siltumdzinēja ciklu, kas tagad tiek ieviests benzīna dzinējos. Šeit tiek veikts darba šķidruma saspiešanas adiabātiskais process un izohoriskā siltuma padeve (kurināmā sadegšana nemainīgā tilpumā), pēc tam parādās adiabātiskā izplešanās (darbu veic darba šķidrums tā tilpuma palielināšanas procesā) un izohoriskā. siltuma noņemšana. Pirmie Otto cikla iekšdedzes dzinēji kā degvielu izmantoja degošās gāzes. Daudz vēlāk tika izgudroti karburatori, kas sāka veidot benzīna-gaisa maisījumus no gaisa ar benzīna tvaikiem un piegādāt tos dzinēja cilindram.
Otto ciklā degmaisījums tiek saspiests, tāpēc tā saspiešana ir salīdzinoši neliela - degmaisījumam ir tendence detonēt (eksplodēt, kad tiek sasniegts kritiskais spiediens un temperatūra). Tāpēc darbs adiabātiskās saspiešanas procesā ir salīdzinoši neliels. Šeit tiek ieviests cits jēdziens: saspiešanas pakāpe ir kopējā tilpuma attiecība pret saspiešanas tilpumu.
Turpinājās meklēt veidus, kā palielināt degvielas energoefektivitāti. Efektivitātes pieaugums tika novērots, palielinoties kompresijas pakāpei. Rūdolfs Dīzelis izstrādāja savu ciklu, kurā tiek piegādāts siltumspastāvīgā spiedienā (izobāriskā procesā). Viņa cikls veidoja pamatu dzinējiem, kas izmantoja dīzeļdegvielu (to sauc arī par dīzeļdegvielu). Dīzeļdegvielas cikls nesaspiež degošo maisījumu, bet gan gaisu. Tāpēc tiek teikts, ka darbs tiek veikts adiabātiskā procesā. Temperatūra un spiediens kompresijas beigās ir augsts, tāpēc degviela tiek iesmidzināta caur sprauslām. Tas sajaucas ar karstu gaisu, veido degošu maisījumu. Tas izdeg, savukārt darba šķidruma iekšējā enerģija palielinās. Tālāk gāzes izplešanās notiek pa adiabātisko, tiek veikts darba gājiens.
Mēģinājums ieviest dīzeļdegvielas ciklu siltumdzinējos neizdevās, tāpēc Gustavs Trinklers izveidoja kombinēto Trinklera ciklu. To izmanto mūsdienu dīzeļdzinējos. Trinkler ciklā siltums tiek piegādāts pa izohoru un pēc tam pa izobaru. Tikai pēc tam tiek veikts darba šķidruma adiabātiskais izplešanās process.
Pēc analoģijas ar virzuļdzinējiem, darbojas arī turbīnu dzinēji. Bet tajos siltuma noņemšanas process pēc gāzes lietderīgās adiabātiskās izplešanās pabeigšanas tiek veikts gar izobāru. Lidmašīnās ar gāzes turbīnu un turbopropelleru dzinējiem adiabātiskais process notiek divas reizes: saspiešanas un izplešanās laikā.
Lai pamatotu visus adiabātiskā procesa pamatjēdzienus, tika piedāvātas aprēķinu formulas. Šeit parādās svarīgs lielums, ko sauc par adiabātisko eksponentu. Tās vērtība divatomu gāzei (skābeklis un slāpeklis ir galvenās gaisā esošās diatomiskās gāzes) ir 1,4.adiabātiskais eksponents, tiek izmantoti vēl divi interesanti raksturlielumi, proti: darba šķidruma izobariskā un izohoriskā siltuma jauda. To attiecība k=Cp/Cv ir adiabātiskais eksponents.
Kāpēc siltumdzinēju teorētiskajos ciklos tiek izmantots adiabātiskais process? Faktiski tiek veikti politropiskie procesi, taču, ņemot vērā to, ka tie notiek lielā ātrumā, ir pieņemts pieņemt, ka siltuma apmaiņa ar vidi nenotiek.
90% elektroenerģijas saražo termoelektrostacijas. Kā darba šķidrumu viņi izmanto ūdens tvaikus. To iegūst, vārot ūdeni. Lai palielinātu tvaika darba potenciālu, tas tiek pārkarsēts. Pēc tam pārkarsētais tvaiks tiek padots ar augstu spiedienu uz tvaika turbīnu. Šeit notiek arī adiabātiskais tvaika izplešanās process. Turbīna saņem rotāciju, tā tiek pārnesta uz elektrisko ģeneratoru. Tas savukārt ražo elektroenerģiju patērētājiem. Tvaika turbīnas darbojas pēc Rankine cikla. Ideālā gadījumā efektivitātes pieaugums ir saistīts arī ar ūdens tvaiku temperatūras un spiediena paaugstināšanos.
Kā redzams no iepriekš minētā, adiabātiskais process ir ļoti izplatīts mehāniskās un elektriskās enerģijas ražošanā.
