Ahhoz, hogy olyan hőmotort építsünk, amely hő felhasználásával is képes dolgozni, bizonyos feltételeket kell teremteni. Mindenekelőtt a hőmotornak ciklikus üzemmódban kell működnie, ahol egymást követő termodinamikai folyamatok sorozata hoz létre egy ciklust. A ciklus eredményeként a mozgatható dugattyús hengerbe zárt gáz működik. De egy ciklus nem elég egy periodikusan működő géphez, egy bizonyos ideig újra és újra ciklusokat kell végrehajtania. A valóságban egy adott idő alatt végzett teljes munka, osztva az idővel, egy másik fontos fogalmat ad: a hatalom.
A 19. század közepén létrehozták az első hőgépeket. Dolgoztak ugyan, de nagy mennyiségű tüzelőanyag elégetésével nyert hőt elhasználtak. Ekkor tették fel maguknak az elméleti fizikusok a következő kérdéseket: „Hogyan működik a gáz a hőgépben? Hogyan lehet maximális teljesítményt elérni minimális üzemanyag-felhasználással?”
A gázmunka elemzéséhez definíciók és fogalomrendszerek egész rendszerét kellett bevezetni. Az összes meghatározás összessége egy egész tudományos irányt hozott létre, amely megkaptacíme: "Technikai termodinamika". A termodinamikában számos olyan feltételezés született, amelyek semmiképpen sem vonják le a fő következtetéseket. A munkafolyadék egy (a természetben nem létező) efemer gáz, amely nulla térfogatra sűríthető, amelynek molekulái nem lépnek kölcsönhatásba egymással. A természetben csak olyan valódi gázok léteznek, amelyek jól meghatározott tulajdonságaik különböznek az ideális gázoktól.
A munkaközeg dinamikájának modelljeinek figyelembevételéhez javasolták a termodinamika törvényeit, amelyek leírják a fő termodinamikai folyamatokat, például:
- izokór folyamat olyan folyamat, amelyet a munkafolyadék térfogatának megváltoztatása nélkül hajtanak végre. Izokór folyamatfeltétel, v=const;
- Az izobár folyamat olyan folyamat, amelyet a munkaközeg nyomásának megváltoztatása nélkül hajtanak végre. Izobár folyamatfeltétel, P=állandó;
- izoterm (izoterm) folyamat olyan folyamat, amelyet úgy hajtanak végre, hogy közben a hőmérsékletet egy adott szinten tartják. Izoterm folyamatállapot, T=const;
- adiabatikus folyamat (adiabatikus, ahogy a modern hőmérnökök nevezik) olyan folyamat, amelyet az űrben hajtanak végre hőcsere nélkül a környezettel. Adiabatikus folyamat feltétele, q=0;
- politróp eljárás – ez a legáltalánosabb eljárás, amely leírja az összes fenti termodinamikai folyamatot, valamint az összes többit, amely mozgatható dugattyús hengerben végrehajtható.
Az első hőmotorok megalkotása során olyan ciklust kerestek, amelyben a legmagasabb hatásfok érhető el(hatékonyság). Sadi Carnot a termodinamikai folyamatok összességét kutatva egy szeszélyből jutott el saját ciklusának kidolgozásához, amely a nevét kapta - a Carnot-ciklus. Sorozatosan egy izoterm, majd egy adiabatikus tömörítési folyamatot hajt végre. A munkaközeg ezen folyamatok elvégzése után rendelkezik belső energiatartalékkal, de a ciklus még nem fejeződött be, így a munkaközeg kitágul és izoterm tágulási folyamatot hajt végre. A ciklus befejezéséhez és a munkafolyadék eredeti paramétereihez való visszatéréshez adiabatikus expanziós folyamatot hajtanak végre.
Carnot bebizonyította, hogy ciklusában a hatékonyság eléri a maximumot, és csak a két izoterma hőmérsékletétől függ. Minél nagyobb a különbség köztük, annál magasabb a hőhatásfok. A Carnot-ciklus szerinti hőmotor létrehozására tett kísérletek nem jártak sikerrel. Ez egy ideális ciklus, amely nem teljesíthető. De bebizonyította a termodinamika második főtételének fő elvét arról, hogy lehetetlen a hőenergia költségével megegyező munka megszerzése. A termodinamika második főtételére számos definíció született, amelyek alapján Rudolf Clausius bevezette az entrópia fogalmát. Kutatásának fő következtetése az, hogy az entrópia folyamatosan növekszik, ami termikus "halálhoz" vezet.
Clausius legfontosabb eredménye az volt, hogy megértette az adiabatikus folyamat lényegét, amelynek végrehajtása során a munkafolyadék entrópiája nem változik. Ezért Clausius szerint az adiabatikus folyamat s=const. Itt s az entrópia, amely egy másik nevet ad a hőellátás vagy hőelvonás nélkül végrehajtott folyamatnak, az izentropikus folyamatnak. A tudós keresteegy hőmotor ilyen ciklusa, ahol nem nő az entrópia. De sajnos ez nem sikerült neki. Ezért arra a következtetésre jutott, hogy hőmotort egyáltalán nem lehet létrehozni.
De nem minden kutató volt ennyire pesszimista. Valódi ciklusokat kerestek a hőmotorokhoz. Keresésük eredményeként Nikolaus August Otto megalkotta saját hőmotor-ciklusát, amelyet ma már benzinmotorokban alkalmaznak. Itt a munkaközeg összenyomásának adiabatikus folyamata és az izokorikus hőellátás (az üzemanyag állandó térfogatú égetése) végbemegy, majd megjelenik az adiabatikus tágulás (a munkafolyadékot a térfogatának növelése során végzi) és izokorikus hőelvonás. Az Otto-ciklus első belső égésű motorjai éghető gázokat használtak üzemanyagként. Jóval később feltalálták a karburátorokat, amelyek benzin-levegő keveréket hoznak létre benzingőzzel, és táplálják a motor hengerébe.
Az Otto-ciklusban az éghető keverék összenyomódik, így a kompressziója viszonylag kicsi - az éghető keverék hajlamos a detonációra (kritikus nyomás és hőmérséklet elérésekor felrobban). Ezért az adiabatikus tömörítési folyamat során a munka viszonylag kicsi. Itt egy másik fogalom kerül bemutatásra: a tömörítési arány a teljes térfogat és a tömörítés térfogatának aránya.
Folytatódik az üzemanyag-energia-hatékonyság növelésének módjainak keresése. A hatékonyság növekedése a tömörítési arány növekedésében volt látható. Rudolf Diesel kifejlesztette saját ciklusát, amelyben a hőt szállítjákállandó nyomáson (izobár folyamatban). Az ő ciklusa képezte a dízel üzemanyagot (más néven dízelüzemanyagot) használó motorok alapját. A Diesel ciklus nem az éghető keveréket, hanem a levegőt tömöríti. Ezért a munkát adiabatikus folyamatban végzik. A kompresszió végén a hőmérséklet és a nyomás magas, ezért az üzemanyagot a befecskendező szelepeken keresztül fecskendezik be. Forró levegővel keveredik, éghető keveréket képez. Kiég, miközben a munkafolyadék belső energiája megnő. Továbbá a gáz tágulása az adiabatikus mentén megy végbe, munkalöket történik.
A dízelciklus hőmotorokban való megvalósítására tett kísérlet meghiúsult, ezért Gustav Trinkler létrehozta a kombinált Trinkler ciklust. A mai dízelmotorokban használják. A Trinkler ciklusban a hőt az izokor, majd az izobár mentén szállítják. Csak ezután kerül sor a munkafolyadék adiabatikus expanziós folyamatára.
A dugattyús hőmotorokhoz hasonlóan a turbinás motorok is működnek. De bennük a hőelvonás folyamatát a gáz hasznos adiabatikus expanziója után az izobár mentén hajtják végre. Gázturbinás és turbólégcsavaros hajtóművekkel felszerelt repülőgépeken az adiabatikus folyamat kétszer megy végbe: kompresszió és expanzió során.
Az adiabatikus folyamat összes alapfogalmának alátámasztására számítási képleteket javasoltak. Itt megjelenik egy fontos mennyiség, az úgynevezett adiabatikus kitevő. Értéke egy kétatomos gázra (az oxigén és a nitrogén a fő kétatomos gázok a levegőben) 1,4.az adiabatikus kitevőt, még két érdekes jellemzőt használunk, nevezetesen: a munkafolyadék izobár és izokor hőkapacitását. Arányuk k=Cp/Cv az adiabatikus kitevő.
Miért használják az adiabatikus folyamatot a hőgépek elméleti ciklusaiban? Valójában politropikus folyamatokat hajtanak végre, de mivel ezek nagy sebességgel mennek végbe, szokás feltételezni, hogy nincs hőcsere a környezettel.
A villamos energia 90%-át hőerőművek állítják elő. Munkaközegként vízgőzt használnak. Víz forralásával nyerik. A gőz működési potenciáljának növelése érdekében túlhevítik. A túlhevített gőzt ezután nagy nyomással egy gőzturbinába táplálják. Itt megy végbe a gőzexpanzió adiabatikus folyamata is. A turbina forgást kap, és egy elektromos generátorba kerül. Ez viszont villamos energiát termel a fogyasztók számára. A gőzturbinák a Rankine-cikluson működnek. Ideális esetben a hatékonyság növekedése a vízgőz hőmérsékletének és nyomásának növekedésével is együtt jár.
Amint az a fentiekből is látható, az adiabatikus folyamat nagyon gyakori a mechanikai és elektromos energia előállításában.
