Ak chcete postaviť tepelný motor, ktorý dokáže pracovať s využitím tepla, musíte vytvoriť určité podmienky. V prvom rade musí tepelný motor pracovať v cyklickom režime, kde séria po sebe nasledujúcich termodynamických procesov vytvára cyklus. V dôsledku cyklu funguje plyn uzavretý vo valci s pohyblivým piestom. Pre periodicky pracujúci stroj však jeden cyklus nestačí, musí určitý čas vykonávať cykly znova a znova. Celková práca vykonaná počas daného času v skutočnosti, vydelená časom, dáva ďalší dôležitý koncept - výkon.
V polovici 19. storočia vznikli prvé tepelné motory. Pracovali, ale spotrebovali veľké množstvo tepla získaného spaľovaním paliva. Vtedy si teoretickí fyzici položili otázky: „Ako funguje plyn v tepelnom motore? Ako dosiahnuť maximálny výkon s minimálnou spotrebou paliva?“
Na vykonanie analýzy práce s plynom bolo potrebné zaviesť celý systém definícií a pojmov. Súhrn všetkých definícií vytvoril celý vedecký smer, ktorý dostalnázov: "Technická termodynamika". V termodynamike bolo urobených množstvo predpokladov, ktoré nijako neznižujú hlavné závery. Pracovná tekutina je efemérny plyn (neexistujúci v prírode), ktorý môže byť stlačený na nulový objem, ktorého molekuly navzájom neinteragujú. V prírode existujú iba skutočné plyny, ktoré majú presne definované vlastnosti, ktoré sa líšia od ideálneho plynu.
Na zváženie modelov dynamiky pracovnej tekutiny boli navrhnuté zákony termodynamiky, ktoré popisujú hlavné termodynamické procesy, ako napríklad:
- izochorický proces je proces, ktorý sa vykonáva bez zmeny objemu pracovnej tekutiny. Izochorický procesný stav, v=const;
- izobarický proces je proces, ktorý sa vykonáva bez zmeny tlaku v pracovnej tekutine. Izobarický procesný stav, P=const;
- izotermický (izotermický) proces je proces, ktorý sa vykonáva pri udržiavaní teploty na danej úrovni. Izotermický procesný stav, T=konst;
- adiabatický proces (adiabatický, ako ho nazývajú moderní tepelní inžinieri) je proces vykonávaný vo vesmíre bez výmeny tepla s okolím. Podmienka adiabatického procesu, q=0;
- polytropický proces – toto je najvšeobecnejší proces, ktorý popisuje všetky vyššie uvedené termodynamické procesy, ako aj všetky ostatné, ktoré je možné vykonávať vo valci s pohyblivým piestom.
Pri vytváraní prvých tepelných motorov hľadali cyklus, v ktorom môžete dosiahnuť najvyššiu účinnosť(účinnosť). Sadi Carnot, ktorý skúmal súhrn termodynamických procesov, z rozmaru prišiel k vývoju vlastného cyklu, ktorý dostal jeho meno - Carnotov cyklus. Postupne vykonáva izotermický a potom adiabatický kompresný proces. Pracovná tekutina po vykonaní týchto procesov má rezervu vnútornej energie, ale cyklus ešte nie je dokončený, takže pracovná tekutina expanduje a vykonáva proces izotermickej expanzie. Na dokončenie cyklu a návrat k pôvodným parametrom pracovnej tekutiny sa vykoná adiabatický proces expanzie.
Carnot dokázal, že účinnosť v jeho cykle dosahuje maximum a závisí len od teplôt dvoch izoterm. Čím vyšší je rozdiel medzi nimi, tým vyššia je tepelná účinnosť. Pokusy o vytvorenie tepelného motora podľa Carnotovho cyklu neboli úspešné. Toto je ideálny cyklus, ktorý sa nedá naplniť. Dokázal však hlavný princíp druhého zákona termodynamiky o nemožnosti získať prácu rovnajúcu sa nákladom na tepelnú energiu. Pre druhý termodynamický zákon bolo sformulovaných množstvo definícií, na základe ktorých Rudolf Clausius zaviedol pojem entropia. Hlavným záverom jeho výskumu je, že entropia sa neustále zvyšuje, čo vedie k tepelnej "smrti".
Najdôležitejším Clausiovým úspechom bolo pochopenie podstaty adiabatického procesu, keď sa vykonáva, entropia pracovnej tekutiny sa nemení. Preto je podľa Clausiusa adiabatický proces s=konšt. Tu s je entropia, ktorá dáva iný názov procesu vykonávanému bez dodávky alebo odvádzania tepla, izoentropický proces. Vedec hľad altaký cyklus tepelného motora, kde by nedochádzalo k zvýšeniu entropie. To sa mu však, žiaľ, nepodarilo. Preto usúdil, že tepelný stroj sa vôbec nedá vytvoriť.
Nie všetci výskumníci však boli takí pesimistickí. Hľadali skutočné cykly pre tepelné motory. Ako výsledok ich hľadania vytvoril Nikolaus August Otto svoj vlastný cyklus tepelného motora, ktorý je teraz implementovaný v benzínových motoroch. Tu sa vykonáva adiabatický proces stláčania pracovnej tekutiny a izochorický prísun tepla (spaľovanie paliva pri konštantnom objeme), potom sa objavuje adiabatická expanzia (prácu vykonáva pracovná tekutina v procese zväčšovania jej objemu) a izochorická odvod tepla. Prvé spaľovacie motory Ottova cyklu používali ako palivo horľavé plyny. Oveľa neskôr boli vynájdené karburátory, ktoré začali vytvárať benzínovo-vzduchové zmesi vzduchu s benzínovými parami a dodávať ich do valca motora.
V Ottovom cykle sa horľavá zmes stláča, takže jej stlačenie je relatívne malé – horľavá zmes má tendenciu detonovať (explodovať pri dosiahnutí kritických tlakov a teplôt). Preto je práca počas procesu adiabatickej kompresie relatívne malá. Tu je predstavený ďalší koncept: kompresný pomer je pomer celkového objemu k objemu kompresie.
Pokračovalo sa v hľadaní spôsobov, ako zvýšiť energetickú účinnosť palív. Zvýšenie účinnosti sa prejavilo zvýšením kompresného pomeru. Rudolf Diesel vyvinul vlastný cyklus, v ktorom sa dodáva teplopri konštantnom tlaku (v izobarickom procese). Jeho cyklus tvoril základ motorov využívajúcich motorovú naftu (nazýva sa aj motorová nafta). Dieselový cyklus nestláča horľavú zmes, ale vzduch. Preto sa hovorí, že práca sa vykonáva v adiabatickom procese. Teplota a tlak na konci kompresie sú vysoké, takže palivo sa vstrekuje cez vstrekovače. Mieša sa s horúcim vzduchom, tvorí horľavú zmes. Vyhorí, zatiaľ čo vnútorná energia pracovnej tekutiny sa zvýši. Ďalej, expanzia plynu ide pozdĺž adiabaty, vykoná sa pracovný zdvih.
Pokus implementovať Dieselov cyklus v tepelných motoroch zlyhal, preto Gustav Trinkler vytvoril kombinovaný Trinklerov cyklus. Používa sa v dnešných dieselových motoroch. V Trinklerovom cykle sa teplo dodáva pozdĺž izochóry a potom pozdĺž izobary. Až potom sa vykoná adiabatický proces expanzie pracovnej tekutiny.
Analogicky s piestovými tepelnými motormi fungujú aj turbínové motory. Ale v nich sa proces odstraňovania tepla po dokončení užitočnej adiabatickej expanzie plynu uskutočňuje pozdĺž izobary. Na lietadlách s plynovou turbínou a turbovrtuľovými motormi prebieha adiabatický proces dvakrát: počas kompresie a expanzie.
Na zdôvodnenie všetkých základných konceptov adiabatického procesu boli navrhnuté výpočtové vzorce. Objavuje sa tu dôležitá veličina, ktorá sa nazýva adiabatický exponent. Jeho hodnota pre dvojatómový plyn (kyslík a dusík sú hlavné dvojatómové plyny prítomné vo vzduchu) je 1,4.adiabatického exponentu sa používajú ešte dve zaujímavé charakteristiky, a to: izobarická a izochorická tepelná kapacita pracovnej tekutiny. Ich pomer k=Cp/Cv je adiabatický exponent.
Prečo sa v teoretických cykloch tepelných motorov používa adiabatický proces? V skutočnosti sa vykonávajú polytropické procesy, ale vzhľadom na to, že prebiehajú vysokou rýchlosťou, je zvykom predpokladať, že nedochádza k výmene tepla s okolím.
90 % elektriny vyrábajú tepelné elektrárne. Ako pracovnú tekutinu používajú vodnú paru. Získava sa prevarením vody. Na zvýšenie pracovného potenciálu pary sa prehrieva. Prehriata para sa potom privádza pod vysokým tlakom do parnej turbíny. Prebieha tu aj adiabatický proces expanzie pary. Turbína sa otáča, je prevedená na elektrický generátor. To zase vyrába elektrinu pre spotrebiteľov. Parné turbíny pracujú na Rankinovom cykle. V ideálnom prípade je zvýšenie účinnosti spojené aj so zvýšením teploty a tlaku vodnej pary.
Ako je zrejmé z vyššie uvedeného, adiabatický proces je veľmi bežný pri výrobe mechanickej a elektrickej energie.
