Кіріспе

Жылу немесе жылу энергиясын механикалық жұмысқа айналдыратын жүйе. Жылу қозғалтқышы – жылуды пайдалы энергияға, әсіресе механикалық энергияға айналдырып, содан кейін механикалық жұмыс істеу үшін пайдаланатын жүйе. Алғашында механикалық энергия тұрғысынан қарастырылған жылу қозғалтқышының түсінігі, кем дегенде 19 ғасырдың соңынан бері энергияның басқа түрлеріне, әсіресе электр энергиясына да қолданылып келеді. Жылу қозғалтқышы жұмыс затты жоғары температуралық күйден төмен температуралық күйге көшіру арқылы мұны іске асырады. Жылу көзі жұмыс затты жоғары температуралық күйге жеткізетін жылу энергиясын тудырады. Жұмыс зат, қозғалтқыштың жұмыс органында жұмыс жасайды, сонымен қатар жылуды салқындатушыға (төмен температуралы ортаға) беру арқылы оны төмендетіп, төмен температуралық күйге жеткізеді. Бұл процесте жылу энергиясының бір бөлігі жұмыс заттың қасиеттерін пайдалану арқылы жұмысқа айналады. Жұмыс зат – нөлдік емес жылу сыйымдылығына ие кез келген жүйе болуы мүмкін, бірақ көбінесе ол газ немесе сұйық болып табылады. Бұл процесте жылудың бір бөлігі әдетте қоршаған ортаға кетіп, жұмысқа айналдырылмайды. Сонымен қатар, үйкеліс және кедергі салдарынан кейбір энергия пайдаланбай қалады. Жалпы алғанда, қозғалтқыш – энергияны механикалық жұмысқа айналдыратын кез келген машина. Жылу қозғалтқыштары басқа типтегі қозғалтқыштардан Карноның термодинамикалық теоремасымен негізгі шектеуге ие болуымен ерекшеленеді. Бұл тиімділік шектеуі кемшілік болуы мүмкін, бірақ жылу қозғалтқыштарының артықшылығы – энергияның көптеген түрлерін экзотермиялық реакциялар (мысалы, жану), ядролық бөліну, жарық немесе энергетикалық бөлшектерді сіңіру, үйкеліс, таралу және кедергі сияқты процестер арқылы оңай жылуға айналдыруға болады. Қозғалтқышты жылу энергиясымен қамтамасыз ететін жылу көзі кез келген энергия түрімен қуатталуы мүмкін болғандықтан, жылу қозғалтқыштарының қолданылу саласы өте кең. Жылу қозғалтқыштары көбінесе олар іске асыруға тырысатын циклдармен шатастырылады. Әдетте, "қозғалтқыш" термині физикалық құрылғыны, ал "цикл" – модельдерді білдіреді.

Мысалдар

Кейбір циклдердің (ішкі немесе сыртқы) әдеттегі жану орны болғанымен, оларды көбінесе екіншісімен де іске асыруға болады. Мысалы, Джон Эрикссон дизельдік циклға өте ұқсас циклмен жұмыс істейтін сыртқы қыздырылатын қозғалтқыш жасады. Сонымен қатар, сыртқы қыздырылатын қозғалтқыштар ашық немесе жабық циклдарда іске асырылуы мүмкін. Жабық циклда жұмыс сұйықтығы цикл аяқталғаннан кейін қозғалтқыш ішінде сақталады, ал ашық циклда жұмыс сұйықтығы ішкі жану қозғалтқыштарында жану өнімдерімен бірге қоршаған ортамен алмастырылады немесе бу машиналары мен турбиналар сияқты сыртқы жану қозғалтқыштарында тікелей қоршаған ортаға шығарылады.

Күнделікті мысалдар

Күнделікті жылу қозғалтқыштарының мысалы ретінде жылу электр станциялары, ішкі жану қозғалтқыштары, атыс қарулары, тоңазытқыштар және жылу сорғыларын атауға болады. Жылу электр станциялары – ыстық резервуардан жылу ағып, салқын резервуарға беріліп, нәтижесінде жұмыс атқарылатын жылу қозғалтқыштарының мысалы. Тоңазытқыштар, кондиционерлер және жылу сорғылары кері принцип бойынша жұмыс істейтін жылу қозғалтқыштары болып табылады, яғни олар жұмыс энергиясын пайдаланып, төмен температурадағы жылуды алып, оның температурасын механикалық жұмыстың немесе электр кедергісінің жылуға айналуынан гөрі тиімдірек жолмен көтереді. Тоңазытқыштар жылу оқшауланған камерадан төмен температурадағы жылуды шығарып, жоғары температурадағы қалдық жылуды сыртқы ортаға шығарады, ал жылу сорғылары төмен температуралы ортадан жылуды алып, оны жылу оқшауланған камераға (мысалы, үйге) жоғары температурада жібереді. Жалпы алғанда, жылу қозғалтқыштары газ заңдарына сәйкес газдардың кеңеюі мен сығылуымен байланысты жылулық қасиеттерін немесе газ және сұйық фазалары арасындағы фазалық өзгерістердің қасиеттерін пайдаланады.

Жердің жылу қозғалтқышы

Жер атмосферасы мен гидросфера – Жердің жылу машинасы – күннің жылу теңгерімсіздігін жер бетіндегі судың булануы, конвекция, жаңбыр, жел және мұхит ағындары арқылы үздіксіз теңестіретін, жылуды бүкіл планетаға таратумен байланысты біріккен процестер. Хэдли жасушасы – жылу машинасының мысалы. Ол Жердің экваторлық аймағындағы жылы және ылғалды ауаның көтерілуін және субтропиктерде салқын ауаның түсуін қамтиды, бұл жылумен қозғалатын тікелей айналымды құрады, соның салдарынан кинетикалық энергияның жалпы өндірісі пайда болады.

Булаушы жылу қозғалтқыштары

Бартон булану қозғалтқышы – судың ыстық құрғақ ауаға булануы арқылы қуат және салқындатылған ылғалды ауа шығаратын циклға негізделген жылу қозғалтқышы.

Мезоскопиялық жылу қозғалтқыштары

Мезоскопиялық жылу қозғалтқыштары – жылу ағындарын өңдеу және кішкентай масштабта пайдалы жұмыс атқару мақсатындағы наноөлшемді құрылғылар. Олардың қолданылу мүмкіндіктеріне, мысалы, электрлік салқындату құрылғылары жатады. Мұндай мезоскопиялық жылу қозғалтқыштарында, жылу шуының салдарынан, бір циклдағы атқарылған жұмыс өзгереді. Кез келген жылу қозғалтқышы атқаратын жұмыстың экспонентасының орташа мәні мен ыстық жылу резервуарынан жылу беру арасындағы нақты теңдік бар. Бұл қатынас Карно теңсіздігін нақты теңдікке түрлендіреді. Бұл қатынас сондай-ақ Карно циклының теңдігі болып табылады.