查看“︁热机”︁的源代码

{{noteTA
|G1=Physics
}}
{{refimprove|time=2019-05-12}}
[[File:Carnot_heat_engine_2.svg|250px|thumb|热机工作模式图]]
{{熱力學}}
'''熱機'''，或稱'''熱引擎'''（{{lang-en|'''heat engine'''}}），是能够将热源提供的一部分[[熱量]]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[[卡诺循环|卡诺热机]]、[[迪塞尔循环|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{{link-en|燃烧室|Combustion chamber}}，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<sub>H</sub>，'''工作系统'''和'''低温热源'''T<sub>C</sub>（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 (热力学)|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<br>
<math> \eta = \frac{|W|}{|Q_{hot}|}</math>
*對所有[[熱機]]

对一个[[卡諾熱機]]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）。
<br>
熵變化量<math> \delta S = \delta S_{hot} + \delta S_{cold} = \frac{|Q_{hot}|}{T_{hot}} - \frac{|Q_{cold}|}{T_{cold}}</math>
*<math> \delta </math> 表示變化量
[[卡諾熱機]]中之<math> p - V </math>圖上之點，最後會回到原來的點，所以
*<math> \delta S = 0 </math>
代入熵變化量式子<br>
<math> \frac{|Q_{hot}|}{T_{hot}} = \frac{|Q_{cold}|}{T_{cold}}</math><br>
<math> \eta _C = \frac{|Q_{hot}| - |Q_{cold}|}{|Q_{hot}|} = 1 - \frac{|Q_{cold}|}{|Q_{hot}|}</math>

將上式代入上上式

<math> \eta _C = 1 - \frac{T_{cold}}{T_{hot}} </math>
*只適用於[[卡諾熱機]]

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[[可逆过程|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> <ref>参考</ref>

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。

== 熱機的熱力過程 ==

{| class="wikitable"
|+
|-
! 循環 !! 過程：點1-點2<br/>(壓縮) !! 過程：點2-點3<br/>(加熱) !! 過程：點3-點4<br/>(膨脹) !! 過程：點4-點1<br/>(冷卻) !! Notes
|-
|colspan="6" align="center" | 通常與[[外燃機]]相關的循環
|-
! [[布雷顿循环]]
| [[絕熱過程|絕熱]] || [[等壓過程|等壓]] || 絕熱 || 等壓 || 布雷顿循环的逆过程
|-
! [[卡诺循环]]
| [[等熵過程|等熵]] || [[等溫過程|等溫]] || 等熵 || 等溫 ||
|-
! {{link-en|Ericsson循环|Ericsson cycle}}
| 等溫 || 等壓 || 等溫 || 等壓 || 從1853年開始稱為「第二Ericsson循環」
|-
! [[郎肯循环]]
| 絕熱 || 等壓 || 絕熱 || 等壓 || [[蒸汽机]]
|-
! {{link-en|Scuderi循环|Scuderi cycle}}
| 絕熱 || 變壓<br/>變容 || 絕熱 || 等容  ||
|-
! {{link-en|斯特林循环|Stirling cycle}}
| 等溫 || [[等容過程|等容]]  || 等溫 || 等容  ||
|-
! {{link-en|Stoddard循环|Stoddard cycle}}
| 絕熱 || 等壓 || 絕熱 || 等壓 ||
|-
|colspan="6" align="center" | 通常與[[内燃機]]相關的循環
|-
! [[布雷顿循环]]
| 絕熱 || 等壓 || 絕熱 || 等壓 || [[喷气发动机]]<br/>從1833年開始，該循環的外燃機版本稱為「第一Ericsson循環」
|-
! [[狄塞尔循环]]
| 絕熱 || 等壓 || 絕熱 || 等容  || [[柴油引擎]]
|-
! {{link-en|Lenoir循环|Lenoir cycle}}
| 等壓 || 等容  || 絕熱 ||  ||[[脉冲喷气式发动机]]<br/>過程1-2完成壓縮和加熱兩個過程
|-
! [[奥托循环]]
| 絕熱 ||等容  || 絕熱 || 等容  || [[汽油引擎]]
|}

==参考文献==
<div class="references-small">
<references />
*Robert A. Ristinen/ Jack J. Kranshaar ''Energy and the Environment:2nd Edition''.（John Wiley & Sons, Inc; 2006）
</div>
==參見==
*[[发动机]]
*[[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]]

{{Heat engines}}

{{Authority control}}

[[Category:基本物理概念]]
[[Category:热力学]]
[[Category:能源转换]]
[[Category:发动机]]
[[Category:HVAC]]