热机

我们知道热是一种能量形式，而一个系统可以通过提供热量或一些机械功来获得能量。发动机是一种将一种能量形式转化为另一种能量形式的机器。因此，热机是一种从高温物体中吸收热能，将其一部分能量转化为机械功，并将其传递到低温物体的发动机。

下面展示了代表热机基本活动的图示

我们也可以说，热机的概念基于热力学第一定律。根据该定律，一个系统可以通过热量或机械功获得能量。

热机的主要优点是它可以利用各种过程，例如消耗和摩擦，将不同形式的能量转化为热能。

在这里，我们将讨论热机的效率、热机的类型以及热机的例子。

热机效率

假设来自高温物体的热量为 Q1，发动机做的功为 W，系统排斥到低温物体的热量为 Q2。如果系统的最终状态与其初始状态相同，则系统没有变化。根据热力学第一定律，我们可以写出方程：

W = Q1 - Q2

效率 = 发动机做的功/供给它的热量

= W/Q1

= Q1 - Q2/Q1

= 1 - Q2/Q1

现在我们来讨论热机的类型和例子。

热机类型

热机分为以下几类：

1. 内燃机
2. 外燃机

让我们详细讨论一下。

内燃机

燃烧是指燃料的燃烧。当燃料在系统内部燃烧时，它被称为内燃机。它通常使用汽油或柴油作为热能来源。内燃机通过燃烧产生高压环境的燃料来产生功。产生的功进一步用于驱动涡轮/活塞，将燃料的热能转化为机械能。

热机中的活塞向上和向下移动，活塞的任何一个方向的单次移动称为冲程。大多数车辆有二冲程或四冲程，二轮车或四轮车的四冲程分别称为进气、压缩、燃烧和排气冲程。

内燃机的两种常见类型是汽油发动机和柴油发动机。

优点

内燃机的优点如下：

• 初始成本低
• 紧凑的尺寸
• 效率提高
• 功率重量比高
• 启动时间短
• 运行安全

缺点

内燃机的缺点如下：

• 燃料成本高（汽油、柴油或任何其他化石燃料）
• 不适用于大规模发电。
• 发动机排放高
• 需要大量维护。

外燃机

燃烧是指燃料的燃烧。当燃料在系统外部燃烧时，它被称为外燃机。外燃机通过燃烧燃料产生功，然后将其传递给二次液体。这种工作流体放置在系统内部。这种流体作用于燃烧机的机械装置并产生功。

流体使用后不会浪费，而是被回收和再利用。

外燃机和内燃机的热源都是燃烧。

外燃机的一个常见例子是蒸汽机。

优点

外燃机的优点如下：

• 可以使用任何类型的燃料
• 适用于在高海拔地区运行。
• 与内燃机相比，发动机排放低，更易于控制，效率更高。

缺点

外燃机的缺点如下：

• 发动机尺寸相对较大。
• 不适合低负载需求。
• 需要更多的组件，例如锅炉，来传递能量。因此，它会很重。

热机的例子

1. 卡诺发动机
2. 蒸汽机
3. 蒸发式热机
4. 汽油发动机
5. 柴油发动机

让我们简要介绍一下上述热机示例。

卡诺发动机

卡诺发动机是一种理论发动机。卡诺发动机的工作基于卡诺循环，该循环由四个状态组成。这些状态分别称为可逆等温膨胀、可逆绝热膨胀、可逆等温压缩和等熵压缩。这些阶段描述了热量转化为功的过程。卡诺还指出，发动机需要一个热体，它充当发动机的能量源，并将能量传递给冷体以完成一些机械功。热量传递的概念基于热力学第二定律。

蒸汽机

顾名思义，蒸汽机从蒸汽中获取能量。因此，蒸汽机是一种热机，它从蒸汽（液体的蒸发形式）中吸收热量，并将其一部分转化为机械能。产生的能量用于移动活塞，然后用于驱动各种物体，例如火车。

蒸汽机的效率范围约为 3% 到 10%，低于其他发动机。但是，由于蒸汽轮机效率高，因此今天广泛用于发电。因此，这种涡轮机中的蒸汽膨胀是连续的。

如今，蒸汽机的设计多种多样，但产生能量的概念保持不变。

蒸发式热机

蒸发式热机在减压下工作，通过干空气的蒸发冷却。除了在炎热干旱的气候中发电外，蒸发式热机还可以用作蒸发冷却器。它在工业废热上也能很好地运行。蒸发式热机的优点是它在炎热干旱的气候中最有效。

汽油发动机

汽油发动机也称为奥托发动机，因为它是由德国工程师尼古拉斯·奥古斯特·奥托（Nicolaus August Otto）开发的。汽油和空气的混合物被插入由钢制成的主气缸中。在这种发动机中，主气缸中放置了一个火花塞，它产生电火花，这些火花燃烧汽油-空气混合物。

柴油发动机

柴油发动机使用柴油作为燃料，其结构和工作原理与汽油发动机相似。由于高温，燃料容易点燃，从而使活塞以更大的力移动。因此，获得了大量的机械能。

常见问题

让我们讨论一些常见问题。

问题 1：目前为热机中使用的油提出了什么环保替代方案？

答案：电池

为了节省各种发动机中机油的使用，电池被推荐为一种环保替代方案。它还可以存储能量，并在没有电力时充当备用。

问题 2：热机效率是否为 100%？

答案：没有任何系统能达到 100% 的效率。由于一些实际限制，热机的效率在 30% 到 50% 之间。

问题 3：热量和温度之间的主要区别是什么？

答案：温度定义了平均动能，以开尔文、摄氏度和华氏度测量。热量描述了系统中分子之间热能的传递，热量也测量能量流。

问题 4：热量何时流动最快？

答案：热量从较热的物质流向较冷的物质最快，这意味着热量从温度较高的物体流向温度较低的物体。