熱機

熱機，或稱熱引擎（英語：heat engine），是能夠將熱源提供的一部分熱量轉化成為對外輸出的機械能之機器。熱機對外輸出的機械能稱為「輸出功」。熱機的工作模式一般可以簡化為熱力學循環的模型，熱機的種類也按背後不同的熱學模型命名，比如卡諾熱機、迪塞爾熱機等等。此外，按照熱源或工作特性，也各自有約定成俗的名稱，如柴油機、汽油機、蒸汽機等等。熱機可以是開放系統，也可以是封閉系統。熱源可以是使用煤的蒸汽爐，汽車發動機的燃燒室，也可以是太陽能的蒸汽爐、地熱和核反應堆。熱機分為內燃機和外燃機兩種。

熱機工作模式圖

在工程學和熱力學中，熱機被簡化為一個由高溫熱源T_H，工作系統和低溫熱源T_C（可以看作多餘能量的排放處）構成的循環。熱量由高溫熱源傳遞到工作系統中，一部分通過作功轉化為機械能，另一部分傳到低溫熱源。在熱源和工作系統之間用來進行能量傳遞和轉化的媒介叫做工作物質。

效率

人們一方面利用已經有的熱能，或者燃燒燃料來創造熱能給熱力發動機，而另一方面卻在浪費很多的熱能，比如很多電廠不得不利用大量的水來冷卻。法國工程師尼古拉·卡諾在1824年的研究推出了卡諾定理。這個定理表示即使是一個理想熱機，它利用熱能轉化成機械能的效率也低於100%。這個公式是：

效率 = 有用功/注入系統中的能量
${\displaystyle \eta ={\frac {|W|}{|Q_{hot}|}}}$

• 對所有熱機

對一個卡諾熱機來說，這個公式變為：

${\displaystyle \eta ={\frac {|Q_{hot}|-|Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}}}$

在這裏，${\displaystyle Q_{hot}}$是高溫熱源給工作系統的熱量，${\displaystyle Q_{cold}}$是低溫熱源給工作系統的熱量（是負值）。
熵變化量${\displaystyle \delta S=\delta S_{hot}+\delta S_{cold}={\frac {|Q_{hot}|}{T_{hot}}}-{\frac {|Q_{cold}|}{T_{cold}}}}$

• ${\displaystyle \delta }$ 表示變化量

卡諾熱機中之${\displaystyle p-V}$圖上之點，最後會回到原來的點，所以

• ${\displaystyle \delta S=0}$

代入熵變化量式子
${\displaystyle {\frac {|Q_{hot}|}{T_{hot}}}={\frac {|Q_{cold}|}{T_{cold}}}}$
${\displaystyle \eta _{C}={\frac {|Q_{hot}|-|Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}}=1-{\frac {|Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}}}$

將上式代入上上式

${\displaystyle \eta _{C}=1-{\frac {T_{cold}}{T_{hot}}}}$

• 只適用於卡諾熱機

根據卡諾提出的定理：

${\displaystyle {\frac {Q_{hot}}{Q_{cold}}}\leq {\frac {T_{hot}}{T_{cold}}}}$

在這裏，${\displaystyle T_{hot}}$和${\displaystyle T_{cold}}$是溫度以卡爾文為單位，等號僅當熱機循環是可逆的時候成立。

從而我們可以得出：

${\displaystyle \eta \leq {\frac {T_{hot}-T_{cold}}{T_{hot}}}}$ ^[1]

從這個公式我們可以看出，要得到100%的效率，低溫熱源需要在絕對零度下，或者高溫熱源溫度無限大。

熱機的熱力過程

循環	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
通常與外燃機相關的循環
布雷頓循環	絕熱	等壓	絕熱	等壓	布雷頓循環的逆過程
卡諾循環	等熵	等溫	等熵	等溫
Ericsson循環（英語：Ericsson cycle）	等溫	等壓	等溫	等壓	從1853年開始稱為「第二Ericsson循環」
郎肯循環	絕熱	等壓	絕熱	等壓	蒸汽機
Scuderi循環（英語：Scuderi cycle）	絕熱	變壓 變容	絕熱	等容
斯特林循環（英語：Stirling cycle）	等溫	等容	等溫	等容
Stoddard循環（英語：Stoddard cycle）	絕熱	等壓	絕熱	等壓
通常與內燃機相關的循環
布雷頓循環	絕熱	等壓	絕熱	等壓	噴氣發動機 從1833年開始，該循環的外燃機版本稱為「第一Ericsson循環」
狄塞爾循環	絕熱	等壓	絕熱	等容	柴油引擎
Lenoir循環（英語：Lenoir cycle）	等壓	等容	絕熱		脈衝噴氣式發動機 過程1-2完成壓縮和加熱兩個過程
奧托循環	絕熱	等容	絕熱	等容	汽油引擎

參考文獻

1. 參考

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

參見

• 發動機
• 冷機
• 熱力學第零定律
• 熱力學第一定律
• 熱力學第二定律
• 熱力學第三定律
• 熵