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.
A heat engine is a system that converts heat to usable energy, particularly mechanical energy, which can then be used to do mechanical work. While originally conceived in the context of mechanical energy, the concept of the heat engine has been applied to various other kinds of energy, particularly electrical, since at least the late 19th century. The heat engine does this by bringing a working substance from a higher state temperature to a lower state temperature. A heat source generates thermal energy that brings the working substance to the higher temperature state. The working substance generates work in the working body of the engine while transferring heat to the colder sink until it reaches a lower temperature state. During this process some of the thermal energy is converted into work by exploiting the properties of the working substance. The working substance can be any system with a non zero heat capacity, but it usually is a gas or liquid. During this process, some heat is normally lost to the surroundings and is not converted to work. Also, some energy is unusable because of friction and drag. In general, an engine is any machine that converts energy to mechanical work. Heat engines distinguish themselves from other types of engines by the fact that their efficiency is fundamentally limited by Carnot's theorem of thermodynamics. Although this efficiency limitation can be a drawback, an advantage of heat engines is that most forms of energy can be easily converted to heat by processes like exothermic reactions (such as combustion), nuclear fission, absorption of light or energetic particles, friction, dissipation and resistance. Since the heat source that supplies thermal energy to the engine can thus be powered by virtually any kind of energy, heat engines cover a wide range of applications. Heat engines are often confused with the cycles they attempt to implement. Typically, the term "engine" is used for a physical device and "cycle" for the models.
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.