Введение
Система, преобразующая тепловую энергию в механическую работу.
Тепловой двигатель – это система, преобразующая тепло в полезную энергию, в частности, в механическую, которая затем может быть использована для совершения механической работы. Изначально концепция теплового двигателя разрабатывалась в контексте механической энергии, однако с конца XIX века она применяется и к другим видам энергии, особенно к электрической. Тепловой двигатель осуществляет это, переводя рабочее тело из состояния с более высокой температурой в состояние с более низкой температурой. Источник тепла генерирует тепловую энергию, которая нагревает рабочее тело до более высокой температуры. Рабочее тело совершает работу в рабочей части двигателя, передавая тепло более холодному теплоотводу, пока не достигнет состояния с более низкой температурой. В этом процессе часть тепловой энергии преобразуется в работу за счет использования свойств рабочего тела. Рабочим телом может быть любая система с ненулевой теплоемкостью, но обычно это газ или жидкость. В ходе этого процесса часть тепла обычно теряется в окружающую среду и не преобразуется в работу. Кроме того, некоторая энергия становится неиспользуемой из-за трения и сопротивления. В общем смысле, двигатель – это любая машина, преобразующая энергию в механическую работу. Тепловые двигатели отличаются от других типов двигателей тем, что их эффективность принципиально ограничена теоремой Карно из термодинамики. Хотя это ограничение эффективности может быть недостатком, преимуществом тепловых двигателей является то, что большинство форм энергии могут быть легко преобразованы в тепло посредством таких процессов, как экзотермические реакции (например, горение), ядерный распад, поглощение света или энергичных частиц, трение, рассеяние и сопротивление. Поскольку источник тепла, обеспечивающий двигатель тепловой энергией, может быть запитан практически любым видом энергии, тепловые двигатели находят широкое применение. Тепловые двигатели часто путают с термодинамическими циклами, которые они реализуют. Как правило, термин «двигатель» используется для обозначения физического устройства, а термин «цикл» – для обозначения теоретической модели.
Примеры
Важно отметить, что хотя для некоторых циклов характерно определенное место сгорания (внутреннее или внешнее), их часто можно реализовать и другим способом. Например, Джон Эриксон разработал двигатель с внешним нагревом, работающий по циклу, очень похожему на более ранний цикл Дизеля. Кроме того, двигатели с внешним нагревом часто могут быть реализованы как в открытых, так и в закрытых циклах. В закрытом цикле рабочее тело остается внутри двигателя после завершения цикла, в то время как в открытом цикле рабочее тело либо удаляется в окружающую среду вместе с продуктами сгорания (как в двигателях внутреннего сгорания), либо просто выбрасывается в окружающую среду (как в двигателях внешнего сгорания, таких как паровые двигатели и турбины).
Примеры повседневного использования
В качестве примеров тепловых двигателей можно привести тепловые электростанции, двигатели внутреннего сгорания, огнестрельное оружие, холодильники и тепловые насосы. Тепловые электростанции – это примеры тепловых двигателей, работающих в прямом направлении, в которых тепло перетекает от горячего резервуара к холодному, производя полезную работу. Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы – это примеры тепловых двигателей, работающих в обратном направлении, то есть использующих работу для переноса тепловой энергии от низкотемпературного источника к высокотемпературному, более эффективно, чем простое преобразование работы в тепло (например, посредством трения или электрического сопротивления). Холодильники отводят тепло из герметичной камеры при низкой температуре и рассеивают отработанное тепло в окружающую среду при более высокой температуре, а тепловые насосы забирают тепло из окружающей среды при низкой температуре и передают его в герметичную камеру (например, в дом) при более высокой температуре. В общем случае, тепловые двигатели используют тепловые свойства, связанные с расширением и сжатием газов в соответствии с газовыми законами, или свойства, связанные с фазовыми переходами между газообразным и жидким состояниями.
Тепловой двигатель Земли
Атмосфера Земли и гидросфера — тепловая машина Земли — представляют собой взаимосвязанные процессы, которые постоянно выравнивают дисбаланс солнечного нагрева посредством испарения поверхностных вод, конвекции, осадков, ветров и океанической циркуляции, распределяя тепло по всей планете. Клетка Хэдли является примером такой тепловой машины. Она включает в себя подъём тёплого и влажного воздуха в экваториальной зоне Земли и опускание более холодного воздуха в субтропиках, создавая термически обусловленную прямую циркуляцию и, как следствие, чистое производство кинетической энергии.
Двигатели теплового испарения
Испаряющий двигатель Бартона — это тепловой двигатель, работающий по циклу, который вырабатывает мощность и охлажденный влажный воздух за счет испарения воды в горячем сухом воздухе.
Мезоскопические тепловые двигатели
Мезоскопические тепловые двигатели – это наноустройства, которые могут быть использованы для обработки тепловых потоков и совершения полезной работы в малых масштабах. К потенциальным областям применения относятся, например, устройства электрического охлаждения. В таких мезоскопических тепловых двигателях работа за один цикл флуктуирует из-за теплового шума. Существует точное соотношение, связывающее среднее значение экспоненты работы, совершаемой любым тепловым двигателем, и теплопередачу от более горячего теплового резервуара. Это соотношение преобразует неравенство Карно в точное равенство. Это соотношение также является равенством, справедливым для цикла Карно.