热机

在热力学和工程学中，热机是一种将热能转化为机械能的系统，然后可以用来做机械功。它通过将工作物质从较高的状态温度带到较低的状态温度来做到这一点。热源产生热能，使工作物质达到更高的温度状态。工作物质在发动机的工作体中产生功，同时将热量传递给较冷的水槽，直到达到较低的温度状态。在这个过程中，一些热能通过利用工作物质的特性转化为功。工作物质可以是任何具有非零热容量的系统，但通常是气体或液体。在此过程中，一些热量通常会散失到周围环境中，并且不会转化为功。还，通常，发动机是将能量转换为机械功的任何机器。热机与其他类型的发动机的区别在于它们的效率从根本上受到卡诺定理的限制。尽管这种效率限制可能是一个缺点，但热力发动机的一个优点是大多数形式的能量可以通过放热反应（如燃烧）、核裂变、光或高能粒子的吸收、摩擦、耗散等过程轻松转化为热量和抵抗。由于向发动机提供热能的热源因此可以由几乎任何种类的能量提供动力，因此热力发动机的应用范围很广。热机经常与他们试图实施的循环混淆。通常，术语引擎用于模型的物理设备和循环。

在热力学中，热机通常使用标准工程模型（例如奥托循环）进行建模。理论模型可以使用来自运行引擎的实际数据进行改进和扩充，使用指标图等工具。由于很少有热机的实际实现与其潜在的热力循环完全匹配，因此可以说热力循环是机械发动机的理想情况。无论如何，要充分了解发动机及其效率，需要对（可能简化或理想化的）理论模型、实际机械发动机的实际细微差别以及两者之间的差异有很好的理解。一般而言，热源和冷源之间的温差越大，循环的潜在热效率就越大。在地球上，任何热机的冷侧都被限制在接近环境的环境温度，或者不会低于300开尔文，因此提高各种热机热力学效率的大部分努力都集中在提高环境温度上。来源，在物质限度内。热机的xxx理论效率（没有任何发动机能够达到）等于热端和冷端之间的温差除以热端的温度，每个都以xxx温度表示。今天提出或使用的各种热机的效率范围很大：

• 3%（97%的废热使用劣质热能）用于海洋热能转换(OTEC)海洋发电提案
• 大多数汽车汽油发动机为25%
• 49%用于超临界燃煤发电站，例如Avedøre发电站
• 60%用于联合循环燃气轮机

这些过程的效率大致与它们的温度下降成正比。辅助设备（例如泵）可能会消耗大量能源，这会有效降低效率。

值得注意的是，尽管某些循环具有典型的燃烧位置（内部或外部），但它们通常可以与另一个循环一起实施。例如，JohnEricsson开发了一种外部加热发动机，其运行的循环与早期的柴油循环非常相似。此外，外部加热的发动机通常可以在开式或闭式循环中实施。在闭式循环中，工作流体在循环完成时保留在发动机内，而在开式循环中，在内燃机的情况下，工作流体或者与燃烧产物一起与环境交换，或者简单地排放到蒸汽机和涡轮机等外燃发动机的环境。

热机的日常例子包括火力发电站、内燃机、火器、冰箱和热泵。发电站是正向运行的热力发动机的示例，其中热量从热储器流出并流入冷储器以产生所需产品的功。冰箱、空调和热泵是逆向运行的热机的例子，即它们利用功在低温下吸收热能并以比简单的功转化为热更有效的方式提高温度（通过摩擦或电阻）。冰箱在低温下从热密封室内带走热量，并将高温下的废热排放到环境中，热泵从低温环境中吸收热量并“排放”通常，热机利用与根据气体定律的气体膨胀和压缩相关的热特性或与气态和液态之间的相变相关的特性。

地球的大气和水圈——地球的热力发动机——是耦合过程，在向全球分配热量时，通过地表水的蒸发、对流、降雨、风和海洋环流，不断消除太阳加热的不平衡。哈德利电池是热机的一个例子。它涉及地球赤道地区暖湿空气的上升和亚热带地区较冷空气的下降，形成热驱动的直接循环，从而产生动能的净生产。

在这些循环和发动机中，工作流体是气体和液体。发动机将工作流体从气体转化为液体，从液体转化为气体，或两者兼而有之，通过流体膨胀或压缩产生功。

• 朗肯循环（经典蒸汽机）
• 再生循环（蒸汽机比朗肯循环更有效）
• 有机朗肯循环（冰和热液态水温度范围内的冷却剂变化阶段）
• 汽液循环（饮水鸟、喷油器、明托轮）
• 液体到固体的循环（霜隆起-水从冰变成液体然后再变回来可以将岩石提升到60厘米。）
• 固体气体循环（枪支-固体推进剂燃烧成热气体。）

在这些循环和发动机中，工作流体始终是气体（即没有相变）：

• 卡诺循环（卡诺热机）
• 爱立信循环（热量船约翰爱立信）
• 斯特林循环（斯特林发动机、热声装置）
• 内燃机（ICE）：
  • 奥托循环（例如汽油/汽油发动机）
  • 柴油循环（例如柴油发动机）
  • 阿特金森循环（阿特金森发动机）
  • 布雷顿循环或焦耳循环最初是爱立信循环（燃气轮机）
  • 雷诺循环（例如，脉冲喷气发动机）
  • 米勒循环（米勒发动机）

在这些循环和发动机中，工作流体总是像液体：

• 斯特林循环（马龙发动机）
• 热再生旋风分离器

• 约翰逊热电转换器
• 热电（珀尔帖-塞贝克效应）
• 热原电池
• 热离子发射
• 热隧道冷却

• 热磁电机（特斯拉）

家用冰箱是热泵的一个例子：一个反向的热机。功用于产生热差。许多循环可以反向运行，将热量从冷端转移到热端，使冷端更冷，热端更热。这些循环的内燃机版本就其性质而言是不可逆的。制冷循环包括：

• 空气循环机
• 气体吸收式冰箱
• 磁制冷
• 斯特林制冷机
• 蒸汽压缩制冷
• 维勒米耶循环

Barton蒸发发动机是一种基于循环产生动力和冷却湿空气的热机，水蒸发成干热空气。

介观热机是纳米级设备，可用于处理热通量并在小范围内执行有用的工作。潜在的应用包括例如电冷却装置。在这样的细观热机中，每个操作周期的功因热噪声而波动。任何热机所做功的指数的平均值与来自较热热浴的热传递之间存在精确的等式。这种关系将卡诺不等式转化为精确等式。这个关系也是一个卡诺循环等式

热机的效率与给定量的热能输入输出多少有用功有关。xxx效率背后的原因如下。首先假设如果比卡诺发动机更高效的热机是可能的，那么它可以作为热泵反向驱动。数学分析可以用来表明这种假设的组合会导致熵的净减少。由于根据热力学第二定律，这在统计上是不可能排除的，因此卡诺效率是任何热力学循环的可靠效率的理论上限。根据经验，没有任何热机能以比卡诺循环热机更高的效率运行。图2和图3显示了卡诺循环效率随温度的变化。图2显示了对于恒定的压缩机入口温度，效率如何随着加热温度的升高而变化。图3显示了在涡轮入口温度恒定的情况下，效率如何随着排热温度的增加而变化。

就其本质而言，任何最有效的卡诺循环都必须在无限小的温度梯度下运行；这是因为两个温度不同的物体之间的任何热传递都是不可逆的，因此卡诺效率表达式仅适用于无穷小极限。主要问题是大多数热机的目标是输出功率，很少需要无穷小的功率。对理想热机效率的不同测量是通过考虑内可逆热力学给出的，其中系统被分解为可逆子系统，但它们之间存在不可逆的相互作用。

热机自古以来就为人所知，但直到18世纪工业xxx时期才被制成有用的设备。他们今天继续发展。

工程师们研究了各种热机循环，以提高他们可以从给定电源中提取的可用功。任何基于气体的循环都无法达到卡诺循环限制，但工程师们发现至少有两种方法可以绕过该限制，一种方法可以在不改变任何规则的情况下获得更高的效率：

• 增加热机中的温差。最简单的方法是提高热侧温度，这是现代联合循环燃气轮机中使用的方法。不幸的是，物理限制（例如用于制造发动机的材料的熔点）和有关NOx产生的环境问题（如果热源与环境空气一起燃烧）限制了可工作热力发动机的最高温度。现代燃气轮机在保持可接受的NOx输出所需的温度范围内尽可能高的温度下运行。另一种提高效率的方法是降低输出温度。这样做的一种新方法是使用混合的化学工作流体，然后利用混合物的变化行为。其中最著名的就是所谓的Kalina循环，它使用氨和水的70/30混合物作为其工作流体。这种混合物允许循环在比大多数其他过程低得多的温度下产生有用的能量。

• 利用工作流体的物理特性。最常见的此类开采是使用高于临界点的水（超临界水）。流体在其临界点以上的行为发生了根本性的变化，并且对于水和二氧化碳等材料，可以利用这些行为变化从热机中提取更高的热力学效率，即使它使用的是相当传统的Brayton或Rankine循环。用于此类应用的一种更新且非常有前途的材料是超临界二氧化碳。SO2和氙气也被考虑用于此类应用。缺点包括腐蚀和侵蚀问题、临界点上下的不同化学行为、所需的高压以及-在二氧化硫和较小程度上二氧化碳的情况下-毒性。
• 利用工作流体的化学特性。一个相当新的和新颖的利用是使用具有有利化学性质的奇异工作流体。其中之一是二氧化氮(NO2)，它是烟雾的一种有毒成分，具有天然二聚体，即四氧化二氮(N2O4)。在低温下，N2O4被压缩然后加热。温度升高导致每个N2O4分裂成两个NO2分子。这降低了工作流体的分子量，从而xxx提高了循环的效率。一旦NO2通过涡轮膨胀，它就会被散热器冷却，从而重新组合成N2O4。然后由压缩机将其反馈给另一个循环。诸如溴化铝(Al2Br6)、NOCl和Ga2I6等物质都已针对此类用途进行了研究。迄今为止，

每个过程是以下之一：

• 等温（在恒定温度下，通过从热源或接收器添加或移除热量来保持）
• 等压（恒压）
• 等容/等容（等容），也称为等容
• 绝热（在绝热过程中不会从系统中添加或移除热量）
• 等熵（可逆绝热过程，在等熵过程中不添加或去除热量）