热机

熱引擎或稱熱機是能够将热源提供的一部分热量转化成为对外输出的机械能的机器。热机对外输出的机械能称为输出功。热机的工作模式一般可以简化为热力学循环的模型，热机的种类也按背后不同的热学模型命名，比如卡诺热机、迪塞尔热机等等。此外，按照热源或工作特性，也各自有约定成俗的名称，如柴油机、汽油机、蒸汽机等等。热机可以是开放系统，也可以是封闭系统。热源可以是使用煤的蒸汽炉，汽车发动机的燃烧室，也可以是太阳能的蒸汽炉，地热和核反应堆。热机分为内燃机和外燃机两种。

在工程学和热力学中，热机被简化为一个由高温热源 T_H，工作系统和低温热源T_C（可以看作多余能量的排放处）构成的循环。热量由高温热源传递到工作系统中，一部分通过做功转化为机械能，另一部分传到低温热源。在热源和工作系统之间用来进行能量传递和转化的媒介叫做工作物质。

热机工作模式图

效率

人们一方面利用已经有的热能，或者燃烧燃料来创造热能给热力发动机，而另一方面却在浪费很多的热能，比如很多电厂不得不利用大量的水来冷却。法国工程师卡诺在1824年的研究推出了卡诺定理。这个定理表示即使是一个理想热机，它利用热能转化成机械能的效率也低于100%。这个公式是：

效率 = 有用功/注入系统中的能量
$\epsilon = \frac{|W|}{|Q_{hot}|}$

• • • 對所有熱機

对一个卡諾熱機来说， 这个公式变为：

$\epsilon = \frac{|Q_{hot}| - |Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}$

在这里，$Q_{hot}$是高温热源给工作系统的热量，$Q_{cold}$是低温热源给工作系统的热量（是负值）。
熵變化量$\delta S = \delta S_{hot} + \delta S_{cold} = \frac{|Q_{hot}|}{T_{hot}} - \frac{|Q_{cold}|}{T_{cold}}$

• • $\delta =$△(變化量)

卡諾熱機中之$p - V$圖上之點，最後會回到原來的點，所以

• • $\delta S = 0$

代入熵變化量式子
$\frac{|Q_{hot}|}{T_{hot}} = \frac{|Q_{cold}|}{T_{cold}}$
$\epsilon _C = \frac{|Q_{hot}| - |Q_{cold}|}{|Q_{hot}|} = 1 - \frac{|Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}$

將上式代入上上式

$\epsilon _C = 1 - \frac{T_{cold}}{T_{hot}}$

• • • 只適用於卡諾熱機

根据卡诺提出的定理：

$\frac{Q_{hot}}{Q_{cold}} \le \frac{T_{hot}}{T_{cold}}$

在这里，$T_{hot}$和$T_{cold}$是温度以卡尔文为单位，等号仅当热机循环是可逆的时候成立。

从而我们可以得出：

效率 $\le \frac{T_{hot} - T_{cold}}{T_{hot}}$

从这个公式我们可以看出，要得到100%的效率，低温热源需要在绝对零度下，或者高温热源温度无限大。

熱機所使用的熱力過程

Cycle	過程：點1-點2 (壓縮)	過程： 點2-點3 (加熱)	過程： 點3-點4 (膨脹)	過程：點 4-點1 (冷卻)	Notes
外燃機:
Bell Coleman	絕熱	等壓	絕熱	等壓	A reversed Brayton cycle
布雷顿循环	絕熱	等壓	絕熱	等壓	en:Jet engines aka first en:Ericsson cycle from 1833
卡诺循环	等熵	等溫	等熵	等溫
Ericsson	等溫	等壓	等溫	等壓	the second Ericsson cycle from 1853
Scuderi	絕熱	variable pressure and volume	絕熱	等容
Stirling	等溫	等容	等溫	等容
Stoddard	絕熱	等壓	絕熱	等壓
內燃機：
狄塞尔循环	絕熱	等壓	絕熱	等容	柴油引擎
Lenoir	等壓	等容	絕熱	等壓	en:Pulse jets (Note: 3 of the 4 過程：es are different)
奥托循环	絕熱	等容	絕熱	等容	汽油引擎
郎肯循环	絕熱	等壓	絕熱	等壓	蒸汽机

• 絕熱過程:Adiabatic process 無內能的改變。
• 等壓過程:Isobaric process 無壓力的改變。
• 等容過程:Isochoric process 無體積的改變。(also called isometric/isovolumetric)
• 等溫過程:Isothermal process 無溫度的改變。
• 等熵過程:Isentropic process: 可逆的絕熱過程, 無熵的改變。
• 等焓過程:Isenthalpic process 無焓的改變。

参考文献

• Robert A. Ristinen/ Jack J. Kranshaar Energy and the Environment:2nd Edition. (John Wiley & Sons, Inc; 2006)

參見

• 发动机
• 冷機
• 熱力學第二定律
• 熵