Premena tepelnej energie na energiu mechanickú prebieha pri expanzii plynov, kedy vzrastá objem, klesá tlak a teplota. Tento sa uskutočňuje v tepelných strojoch (parné a plynové turbíny, spaľovacie a raketové motory atď.). Plyny sú prehriate pary kvapalín, ktorých teplota je mnohokrát vyššia, ako teplota, pri ktorej skvapalňujú.
Pre uľahčenie výpočtov v termodynamike sa používajú matematické vzťahy odvodené pre tzv. ideálny plyn, ktorý nemení svoje vlastnosti so zmenou teploty a tlaku, je dokonale pružný, nemá trenie a je neskvapalniteľný. Ideálny plyn je tvorený hmotnými bodmi s nulovým objemom molekúl, medzi ktorými nepôsobia medzimolekulové (kohézne) sily. Sú v neustálom, neusporiadanom a priamočiarom pohybe. Ideálny plyn sa presne riadi zmenami podľa rovnice stavu ideálnych plynov. Kyslík, dusík, oxid uhoľnatý vrátane ich zmesí (vzduch a splodiny horenia) sa blížia vlastnostiam ideálneho plynu, najmä pri nízkych tlakoch.
Rovnica stavu pre ideálny plyn vyhovuje väčšinou s dodatočnou presnosťou i pre skutočné plyny. Presné hodnoty sa získajú po úprave tlaku a merného objemu. Tlak skutočného plynu je väčší ako ideálneho a kohézny tlak, zatiaľ čo špecifický objem skutočného plynu je menší vzhľadom na objem molekúl. Stav plynu je určený tromi stavovými veličinami - tlakom, špecifickým objemom a teplom.
Pokusmi sa zistilo, že tlak ideálneho plynu pri stálom objeme je priamo úmerný absolútnej teplote (Charlesov zákon):
pri stálej teplote je nepriamo úmerný objemu (Boyleov zákon):
lebo p1 . V1 = p2 . V2.
Ak môže plyn pri zmene teploty meniť objem pri stálom tlaku, platí (Gay-Lussacov zákon):
Spojením všetkých zákonov a vztiahnutím na hmotnosť 1 kg plynu dostaneme rovnicu stavu:
p . v = r . T.
Konštanta r vyjadruje absolútnu prácu, ktorá vznikne expanziou plynu hmotnosti 1 kg pri stálom tlaku a pri zmene teploty o 1°C. Je to charakteristická veličina a je pre každý plyn iná, nazýva sa špecifická (individuálna) plynová konštanta:
Rozšírená rovnica stavu pre hmotnosť m:
m . p . v = m . r . T
p . V = m . r. T.
Rozšírené rovnice stavu pre relatívnu molovú hmotnosť M (kg.kmol-1):
p . v . M = M . r. T
p . Vm = Rm . T.
Vm je objem 1 kmolu (1 kologrammolekuly) plynu Rm alebo R je molová (univerzálna) plynová konštanta. Je pre všetky plyny rovnaká a ich hodnota sa odvodí z normálneho stavu (pn, tn).
Vmn je prírodná konštanta plynúca z Avogadrovho zákona a znamená objem jedného kilomólu ideálneho plynu za normálnych podmienok, t.j. normálneho tlaku pn = 1,013 25.105Pa a pri normálnej teplote tn = 0°C, Vmn = 22,41 m3.kmol-1.
Špecifická plynová konštanta sa dá z molovej plynovej konštanty vypočítať zo vzťahu:
kde M je relatívna molová hmotnosť uvažovaného plynu.
Zmeny stavu plynov sa môžu vyjadrovať výpočtom alebo pre názornosť graficky v tlakových diagramoch, tzv. diagramoch p - v.
Obr. 8.2 Diagram p –- v
Diagram p-v (obr. 8.2) ukazuje zmenu tlaku p plynu uzavretého vo valci v závislosti od zmeny objemu V. Ak sledujeme priebeh zmeny objemu V zo stavu 1 (p1, v1) na stav 2 (p2, v2), zistíme, že pri pohybe piesta vpravo sa objem plynu zväčšuje a tlak klesá podľa krivky 1-2. Plyn pôsobí tlakom na piest, premáha odpory a vykonáva prácu:
Praktický účinok plynu v tepelných strojoch je založený na jeho tepelných zmenách. Niekedy sa práca spotrebováva, inokedy sa teplo odvádza alebo privádza. Keby tieto zmeny prebiehali pri tepelnej rovnováhe plynu s okolím (t.j. bez teplotných spádov) a pri rovnováhe plynu (t.j. nekonečne pomaly), aby plyn bol v absolútnom pokoji, prebiehali by zmeny vratné. Plyn by z pôvodného stavu 1 prešiel do stavu 2 a opäť späť do stavu 1. Názorne si možno predstaviť tieto deje ako kompresiu a expanziu.
Pokiaľ sa teplo pri kompresii odvádzalo, muselo sa pri expanzii zase privádzať, aby zmena bola vratná.
Vzhľadom na trenie, vírenie plynu a nevyhnutným teplotným spádom sú v skutočnosti zmeny stavu nevratné.
Skutočné zmeny si pre možnosť rozboru a výpočtu idealizujeme a premieňame na vratné, ktorým sa najviac približujú a plyn sa považuje za ideálny.
Zmena pri stálom tlaku (izobarická, p - konšt)
Pri tejto zmene sa tlak plynu nemení (obr. 8.3). Aby sa tlak nemenil, musí sa pri zmene teploty zmeniť objem. Vzhľadom na to, že je tlak stály, zobrazuje sa izobara v diagrame p-v ako vodorovná úsečka. Pre výpočet platí Gáy-Lussacov zákon: Pri stálom tlaku je objem plynu priamo úmerný jeho termodynamickej teplote, t.j.:
Technická práca je rovná nule a absolútna práca je v diagrame p-v vyobrazená obdĺžnikom pod izobarou.
Obr. 8.3 Zmena za stáleho tlaku (izobarická)
Zmena pri stálom objeme (izochorická, v=konšt)
Pri tejto zmene sa nemení objem plynu. Ak do plynu so stálym objemom v uzavretej nádobe budeme privádzať teplo, zväčší sa pôvodná teplota t1 na t2 a tlak p1 vzrastie na p2 (obr. 8.4). Podľa Charlesovho zákona: Pri stálom objeme je tlak plynu úmerný jeho termodynamickej teplote, t.j.:
Izochoru vyobrazujeme v diagrame p-v ako zvislú úseku. Záporná technická práca je vodorovne šrafovaná a všetko privedené teplo sa vynaloží na zvýšenie vnútornej energie.
Obr. 8.4 Zmena za stáleho objemu (izochorická)
Horenie paliva v spaľovacích motoroch s polohou piesta v hornom úvrate prebieha izochoricky.