محرك حراري

مخطط يوضح طريقة عمل المحرك الحراري

المحرك الحراري هو جهاز نظري أو عملي يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى خرج ميكانيكي. يسمى الخرج الميكانيكي بالعمل، والطاقة الحرارية المُدخلة بالحرارة. تعمل المحركات الميكانيكية في دورات حرارية خاصة، كما يمكن أن تكون هذه المحركات مفتوحة على الهواء، أو مغلقة. (دورة مفتوحة أو مغلقة). في الهندسة والديناميكية الحرارية يقوم المحرك الحراري بتحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي عن طريق استغلال التدرج في الحرارة بين مصدر ساخن و حوض حرارة بارد.

تنتقل الحرارة من المصدر، مروراً بالجسم العامل من المحرك، إلى الحوض، وأثناء هذه العملية يتحول جزء من الحرارة إلى عمل عن طريق استغلال خصائص المادة العاملة (عادة ما تكون غازية أو سائلة).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 أمثلة للمحركات الحرارية

It is important to note that although some cycles have a typical combustion location (internal external), they often can be implemented as the other combustion cycle. فعلى سبيل المثال، طور جون إريكسون محرك يـُسخـَّن خارجياً يعمل على دورة شديدة الشبه لدورة الديزل السابقة له. In addition, the externally heated engines can often be implemented in open or closed cycles.

What this boils down to is there are thermodynamic cycles and a large number of ways of implementing them with mechanical devices called engines.

 دورات تغير الأطوار

In these cycles and engines, the working fluids are gases and liquids. The engine converts the working fluid from a gas to a liquid.

• دورة رانكين (classical steam engine)
• Regenerative cycle (steam engine more efficient than Rankine cycle)
• Vapor to liquid cycle (Drinking bird, Injector, Minto wheel)
• Liquid to solid cycle (Frost heaving — water changing from ice to liquid and back again can lift rock up to 60 m.)
• Solid to gas cycle (Dry ice cannon — Dry ice sublimes to gas.)

 دورات غازية فقط

In these cycles and engines the working fluid is always a gas (ie, there is no phase change):

• دورة كارنو (محرك كارنو الحراري)
• دورة إريكسون (Caloric Ship John Ericsson)
• Stirling cycle (Stirling engine, thermoacoustic devices)
• محرك الاحتراق الداخلي (ICE):
  • Otto cycle (eg. Gasoline/Petrol engine, high-speed diesel engine)
  • دورة الديزل (eg. low-speed diesel engine)
  • Atkinson Cycle (محرك أتكنسون)
  • Brayton cycle or Joule cycle originally Ericsson Cycle (توربين غازي)
  • Lenoir cycle (e.g., pulse jet engine)
  • دورة ميلر

 دورات سائلة فقط

In these cycles and engines the working fluid are always like liquid:

• Stirling Cycle (محرك مالون)
• Heat Regenerative Cyclone

 دورات الإلكترون

• Thermoelectric (Peltier-Seebeck effect)
• Thermionic emission
• Thermotunnel cooling

 دورات مغناطيسية

• Thermo-magnetic motor (تسلا)

 الدورات المستعملة للتبريد

A refrigerator is a heat pump: a heat engine in reverse. Work is used to create a heat differential. Many cycles can run in reverse to move heat from the cold side to the hot side, making the cold side cooler and the hot side hotter. Internal combustion engine versions of these cycles are, by their nature, not reversible.

• Vapor-compression refrigeration
• Stirling engine#Stirling cryocoolers
• Gas-absorption refrigerator
• Air cycle machine
• Vuilleumier refrigeration

 المحركات الحرارية التبخرية

The Barton Evaporation Engine is a heat engine based on a cycle producing power and cooled moist air from the evaporation of water into hot dry air.

 الكفاءة

The efficiency of a heat engine relates how much useful power is output for a given amount of heat energy input.

من قوانين الثرموديناميكا:

$dW\ =\ dQ_{c}\ -\ (-dQ_{h})$

حيث

$dW=-PdV$ is the work extracted from the engine. (It is negative since work is done by the engine.)

$dQ_{h}=T_{h}dS_{h}$ is the heat energy taken from the high temperature system. (It is negative since heat is extracted from the source, hence $(-dQ_{h})$ is positive.)

$dQ_{c}=T_{c}dS_{c}$ is the heat energy delivered to the cold temperature system. (It is positive since heat is added to the sink.)

 كفاءة المحركات الحرارية endoreversible

A different measure of ideal heat engine efficiency is given by considerations of endoreversible thermodynamics, where the cycle is identical to the Carnot cycle except in that the two processes of heat transfer are not reversible (Callen 1985):

$\eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$ (Note: Units K or °R)

This model does a better job of predicting how well real-world heat engines can do (Callen 1985, see also endoreversible thermodynamics):

كفاءات محطات توليد الطاقة

Power Plant	$T_{c}$ (°C)	$T_{h}$ (°C)	$\eta$ (Carnot)	$\eta$ (Endoreversible)	$\eta$ (Observed)
West Thurrock (المملكة المتحدة) coal-fired power plant	25	565	0.64	0.40	0.36
CANDU (كندا) مفاعل طاقة نووية	25	300	0.48	0.28	0.30
Larderello (إيطاليا) geothermal power plant	80	250	0.33	0.178	0.16

As shown, the endoreversible efficiency much more closely models the observed data.

 عمليات المحرك الحراري

الدورة/العملية	انضغاط	اضافة حرارة	تمدد	رفض حراري
دورات طاقة عادة ما يصحبها احتراق خارجي
كارنو	adiabatic	isothermal	adiabatic	isothermal
Stirling	isothermal	isometric	isothermal	isometric
Ericsson	isothermal	isobaric	isothermal	isobaric
رانكين (بخار)	adiabatic	isobaric	adiabatic	isobaric
Stoddard	adiabatic	isobaric	adiabatic	isobaric
دورات طاقة عادة ما يصحبها احتراق داخلي
اوتو (پترول)	adiabatic	isometric	adiabatic	isometric
ديزل	adiabatic	isobaric	adiabatic	isometric
برايتون (نفاث)	adiabatic	isobaric	adiabatic	isobaric

كل عملية هي واحدة من التالين:

• isothermal (عند درجة حرارة ثابتة، محفوظة باضافة أو ازالة حرارة من مصدر أو بالوعة حرارية)
• isobaric (at constant pressure)
• isometric/isochoric (at constant volume), also referred to as iso-volumetric
• adiabatic (no heat is added or removed from the system during adiabatic process which is equivalent to saying that the entropy remains constant)

 المصادر

• Kittel, Charles ; Kroemer, Herbert (2000). Thermal Physics (2nd ed. ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9. {{cite book}}: |edition= has extra text (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (2nd ed. ed.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8. {{cite book}}: |edition= has extra text (help)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 انظر أيضاً

• Reciprocating engine for a general description of the mechanics of piston engines
• Adiabatic engine
• Heat pump
• محرك كارنو الحراري
• Timeline of heat engine technology
• Heat engine classifications
• Thermosynthesis

 وصلات خارجية

• Video of Stirling engine running on dry ice
• Heat Engine
• On line museum of toy steam engines, including a very rare Bing heat engine
• Webarchive backup: Refrigeration Cycle Citat: "...The refrigeration cycle is basically the Rankine cycle run in reverse..."
• Red Rock Energy Solar Heliostats: Heat Engine Projects Citat: "...Choosing a Heat Engine..."
• Overview of heat engine types - not working
• The rotary piston array machine
• The gyroscope combustion motor
• The external combustion air engine
• Super-efficient Atkinson-Diesel Cycle