Abyste mohli postavit tepelný motor, který dokáže pracovat s využitím tepla, musíte vytvořit určité podmínky. Tepelný stroj musí v prvé řadě pracovat v cyklickém režimu, kdy řada po sobě jdoucích termodynamických procesů vytváří cyklus. V důsledku cyklu funguje plyn uzavřený ve válci s pohyblivým pístem. Periodicky pracujícímu stroji však jeden cyklus nestačí, musí po určitou dobu provádět cykly znovu a znovu. Celková práce vykonaná během daného času ve skutečnosti, dělená časem, dává další důležitý koncept - sílu.
V polovině 19. století byly vytvořeny první tepelné motory. Fungovaly, ale spotřebovaly velké množství tepla získaného spalováním paliva. Tehdy si teoretičtí fyzici položili otázky: „Jak funguje plyn v tepelném motoru? Jak dosáhnout maximálního výkonu s minimální spotřebou paliva?“
Pro provedení analýzy plynárenské práce bylo nutné zavést celý systém definic a pojmů. Souhrn všech definic vytvořil celý vědecký směr, který obdrželnázev: "Technická termodynamika". V termodynamice byla učiněna řada předpokladů, které nikterak nesnižují hlavní závěry. Pracovní tekutina je pomíjivý plyn (v přírodě neexistující), který lze stlačit na nulový objem, jehož molekuly spolu neinteragují. V přírodě existují pouze skutečné plyny, které mají přesně definované vlastnosti, které se liší od ideálního plynu.
Pro zvážení modelů dynamiky pracovní tekutiny byly navrženy termodynamické zákony popisující hlavní termodynamické procesy, jako jsou:
- isochorický proces je proces, který se provádí bez změny objemu pracovní tekutiny. Izochorický procesní stav, v=const;
- izobarický proces je proces, který se provádí beze změny tlaku v pracovní tekutině. Izobarický procesní stav, P=konst;
- izotermický (izotermický) proces je proces, který se provádí při udržování teploty na dané úrovni. Izotermický procesní stav, T=konst;
- adiabatický proces (adiabatický, jak jej nazývají moderní tepelní inženýři) je proces prováděný ve vesmíru bez výměny tepla s okolím. Podmínka adiabatického procesu, q=0;
- polytropický proces – toto je nejobecnější proces, který popisuje všechny výše uvedené termodynamické procesy, stejně jako všechny ostatní, které je možné provádět ve válci s pohyblivým pístem.
Při vytváření prvních tepelných motorů hledali cyklus, ve kterém můžete dosáhnout nejvyšší účinnosti(účinnost). Sadi Carnot, zkoumající souhrn termodynamických procesů, z rozmaru dospěl k vývoji vlastního cyklu, který dostal jeho jméno - Carnotův cyklus. Postupně provádí izotermický a poté adiabatický kompresní proces. Pracovní tekutina po provedení těchto procesů má rezervu vnitřní energie, ale cyklus ještě není dokončen, takže pracovní tekutina expanduje a provádí izotermický expanzní proces. Pro dokončení cyklu a návrat k původním parametrům pracovní tekutiny se provede proces adiabatické expanze.
Carnot dokázal, že účinnost v jeho cyklu dosahuje maxima a závisí pouze na teplotách dvou izoterm. Čím vyšší je rozdíl mezi nimi, tím vyšší je tepelná účinnost. Pokusy o vytvoření tepelného motoru podle Carnotova cyklu nebyly úspěšné. To je ideální koloběh, který nelze naplnit. Ale dokázal hlavní princip druhého termodynamického zákona o nemožnosti získat práci rovnající se ceně tepelné energie. Pro druhý termodynamický zákon byla formulována řada definic, na jejichž základě Rudolf Clausius zavedl pojem entropie. Hlavním závěrem jeho výzkumu je, že entropie neustále roste, což vede k tepelné "smrti".
Nejdůležitějším Clausiovým úspěchem bylo pochopení podstaty adiabatického procesu, při jeho provádění se entropie pracovní tekutiny nemění. Proto je podle Clausia adiabatický proces s=konst. Zde s je entropie, která dává jiný název procesu prováděnému bez přívodu nebo odvodu tepla, isentropický proces. Vědec hled altakový cyklus tepelného motoru, kde by nedocházelo k nárůstu entropie. To se mu ale bohužel nepodařilo. Proto vydedukoval, že tepelný stroj nelze vytvořit vůbec.
Ale ne všichni výzkumníci byli tak pesimističtí. Hledali skutečné cykly pro tepelné motory. V důsledku jejich hledání vytvořil Nikolaus August Otto svůj vlastní cyklus tepelného motoru, který je nyní implementován v benzínových motorech. Zde se provádí adiabatický proces stlačování pracovní tekutiny a izochorický přívod tepla (spalování paliva při konstantním objemu), dále se objevuje adiabatická expanze (práci koná pracovní tekutina při zvětšování svého objemu) a izochorická odvod tepla. První spalovací motory Ottova cyklu používaly jako palivo hořlavé plyny. Mnohem později byly vynalezeny karburátory, které začaly vytvářet směsi benzínu a vzduchu s benzínovými parami a dodávaly je do válce motoru.
V Ottově cyklu je hořlavá směs stlačována, takže její stlačení je relativně malé – hořlavá směs má tendenci detonovat (explodovat při dosažení kritických tlaků a teplot). Proto je práce během procesu adiabatické komprese relativně malá. Je zde představen další koncept: kompresní poměr je poměr celkového objemu k objemu komprese.
Pokračovalo hledání způsobů, jak zvýšit energetickou účinnost paliva. Zvýšení účinnosti bylo vidět ve zvýšení kompresního poměru. Rudolf Diesel vyvinul vlastní cyklus, ve kterém se dodává teplopři konstantním tlaku (v izobarickém procesu). Jeho cyklus tvořil základ motorů využívajících motorovou naftu (také se jí říká motorová nafta). Dieselový cyklus nestlačuje hořlavou směs, ale vzduch. Proto se říká, že práce probíhá v adiabatickém procesu. Teplota a tlak na konci komprese jsou vysoké, takže palivo je vstřikováno přes vstřikovače. Smíchá se s horkým vzduchem, vytvoří hořlavou směs. Vyhoří, zatímco vnitřní energie pracovní tekutiny se zvýší. Dále expanze plynu probíhá adiabaticky, dojde k pracovnímu zdvihu.
Pokus implementovat Dieselův cyklus do tepelných motorů selhal, a tak Gustav Trinkler vytvořil kombinovaný Trinklerův cyklus. Používá se v dnešních dieselových motorech. V Trinklerově cyklu se teplo dodává podél izochory a poté podél izobary. Teprve poté se provede adiabatický proces expanze pracovní tekutiny.
Analogicky s pístovými tepelnými motory fungují také turbínové motory. Ale v nich se proces odvodu tepla po dokončení užitečné adiabatické expanze plynu provádí podél izobary. U letadel s plynovou turbínou a turbovrtulovými motory probíhá adiabatický proces dvakrát: během komprese a expanze.
Pro doložení všech základních konceptů adiabatického procesu byly navrženy výpočtové vzorce. Objevuje se zde důležitá veličina, která se nazývá adiabatický exponent. Jeho hodnota pro dvouatomový plyn (kyslík a dusík jsou hlavní dvouatomové plyny přítomné ve vzduchu) je 1,4.adiabatického exponentu se používají ještě dvě zajímavé charakteristiky, a to: izobarická a izochorická tepelná kapacita pracovní tekutiny. Jejich poměr k=Cp/Cv je adiabatický exponent.
Proč se v teoretických cyklech tepelných motorů používá adiabatický proces? Ve skutečnosti se provádějí polytropní procesy, ale vzhledem k tomu, že probíhají vysokou rychlostí, je obvyklé předpokládat, že nedochází k výměně tepla s okolím.
90 % elektřiny se vyrábí v tepelných elektrárnách. Jako pracovní tekutinu používají vodní páru. Získává se převařením vody. Pro zvýšení pracovního potenciálu páry se přehřívá. Přehřátá pára se pak přivádí pod vysokým tlakem do parní turbíny. Probíhá zde i adiabatický proces expanze páry. Turbína se otáčí, převádí se na elektrický generátor. To zase vyrábí elektřinu pro spotřebitele. Parní turbíny pracují na Rankinově cyklu. V ideálním případě je zvýšení účinnosti také spojeno se zvýšením teploty a tlaku vodní páry.
Jak je vidět z výše uvedeného, adiabatický proces je velmi běžný při výrobě mechanické a elektrické energie.
