热机

File:Carnot heat engine 2.svg

热机工作模式图

热机，或称热引擎（英语：heat engine），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之机器。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。

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。法国工程师尼古拉·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
<math> \eta = \frac{|W|}{|Q_{hot}|}</math>

• 对所有热机

对一个卡诺热机来说，这个公式变为：

<math> \eta = \frac{|Q_{hot}| - |Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}</math>

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

• <math> \delta </math> 表示变化量

卡诺热机中之<math> p - V </math>图上之点，最后会回到原来的点，所以

• <math> \delta S = 0 </math>

代入熵变化量式子
<math> \frac{|Q_{hot}|}{T_{hot}} = \frac{|Q_{cold}|}{T_{cold}}</math>
<math> \eta _C = \frac{|Q_{hot}| - |Q_{cold}|}{|Q_{hot}|} = 1 - \frac{|Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}</math>

将上式代入上上式

<math> \eta _C = 1 - \frac{T_{cold}}{T_{hot}} </math>

• 只适用于卡诺热机

根据卡诺提出的定理：

<math> \frac{Q_{hot}}{Q_{cold}} \le \frac{T_{hot}}{T_{cold}}</math>

在这里，<math>T_{hot}</math>和<math> T_{cold}</math>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：

<math>\eta \le \frac{T_{hot} - T_{cold}}{T_{hot}}</math>

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。

热机的热力过程

循环	过程：点1-点2 (压缩)	过程：点2-点3 (加热)	过程：点3-点4 (膨胀)	过程：点4-点1 (冷却)	Notes
通常与外燃机相关的循环
布雷顿循环	绝热	等压	绝热	等压	布雷顿循环的逆过程
卡诺循环	等熵	等温	等熵	等温
Ericsson循环	等温	等压	等温	等压	从1853年开始称为“第二Ericsson循环”
郎肯循环	绝热	等压	绝热	等压	蒸汽机
Scuderi循环	绝热	变压 变容	绝热	等容
斯特林循环	等温	等容	等温	等容
Stoddard循环	绝热	等压	绝热	等压
通常与内燃机相关的循环
布雷顿循环	绝热	等压	绝热	等压	喷气发动机 从1833年开始，该循环的外燃机版本称为“第一Ericsson循环”
狄塞尔循环	绝热	等压	绝热	等容	柴油引擎
Lenoir循环	等压	等容	绝热		脉冲喷气式发动机 过程1-2完成压缩和加热两个过程
奥托循环	绝热	等容	绝热	等容	汽油引擎

参考文献

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

参见

• 发动机
• 冷机
• 热力学第零定律
• 热力学第一定律
• 热力学第二定律
• 热力学第三定律
• 熵