محرك حراري

الديناميكا الحرارية
محرك كارنو الحراري الكلاسيكي
الفروع كلاسيكي إحصائية كيميائي الديناميكا الحرارية الكمومية التوازن  / عدم التوازن
القوانين صفر أولاً ثانية ثالث
الأنظمة نظام مغلق نظام مفتوح نظام معزول ولاية معادلة الحالة الغاز المثالي الغاز الحقيقي حالة المادة الطور (المادة) التوازن التحكم في مستوى الصوت الآلات الموسيقية العمليات متساوي الضغط متساوي الأضلاع متحاور أدياباتيك إيزنتروبيا إيزنثالبيك شبه ثابت متعدد الخواص التوسعة المجانية قابلية الانعكاس عدم الرجوع قابلية الرجوع إلى الوراء الدورات Heat engines Heat pumps Thermal efficiency
System properties Note: Conjugate variables in italics Property diagrams Intensive and extensive properties Process functions Work Heat Functions of state Temperature / Entropy (introduction) Pressure / Volume Chemical potential / Particle number Vapor quality Reduced properties
Material properties Property databases Specific heat capacity  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibility  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Thermal expansion  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equations Carnot's theorem Clausius theorem Fundamental relation Ideal gas law Maxwell relations Onsager reciprocal relations Bridgman's equations Table of thermodynamic equations
Potentials Free energy Free entropy Internal energy ${\displaystyle U(S,V)}$ Enthalpy ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz free energy ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs free energy ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
History Culture History General Entropy Gas laws "Perpetual motion" machines Philosophy Entropy and time Entropy and life Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories Caloric theory Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

المحرك الحراري هو نظام يحول الحرارة إلى طاقة قابلة للاستخدام ، وخاصة الطاقة الميكانيكية ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك للقيام بعمل ميكانيكي . ^{[1] [2]} على الرغم من تصوره في الأصل في سياق الطاقة الميكانيكية، فقد تم تطبيق مفهوم المحرك الحراري على أنواع أخرى مختلفة من الطاقة، وخاصة الكهربائية ، منذ أواخر القرن التاسع عشر على الأقل. ^{[3] [4]} يقوم المحرك الحراري بذلك عن طريق نقل مادة عاملة من درجة حرارة حالة أعلى إلى درجة حرارة حالة أقل. يولد مصدر الحرارة طاقة حرارية تجعل المادة العاملة تصل إلى حالة درجة حرارة أعلى. تولد المادة العاملة عملاً في جسم العمل للمحرك أثناء نقل الحرارة إلى الحوض الأكثر برودة حتى تصل إلى حالة درجة حرارة أقل. أثناء هذه العملية، يتم تحويل بعض الطاقة الحرارية إلى عمل من خلال استغلال خصائص المادة العاملة. يمكن أن تكون المادة العاملة أي نظام بسعة حرارية غير صفرية، ولكنها عادة ما تكون غازًا أو سائلًا. أثناء هذه العملية، يتم فقدان بعض الحرارة عادةً في المناطق المحيطة ولا يتم تحويلها إلى عمل. أيضًا ، بعض الطاقة غير صالحة للاستخدام بسبب الاحتكاك والسحب .

بشكل عام، المحرك هو أي آلة تحول الطاقة إلى عمل ميكانيكي . تتميز المحركات الحرارية عن الأنواع الأخرى من المحركات بحقيقة أن كفاءتها محدودة بشكل أساسي بنظرية كارنو في الديناميكا الحرارية . ^[5] على الرغم من أن هذا القيد على الكفاءة يمكن أن يكون عيبًا، فإن ميزة المحركات الحرارية هي أنه يمكن تحويل معظم أشكال الطاقة بسهولة إلى حرارة من خلال عمليات مثل التفاعلات الطاردة للحرارة (مثل الاحتراق)، والانشطار النووي ، وامتصاص الضوء أو الجسيمات النشطة، والاحتكاك ، والتبديد والمقاومة . نظرًا لأن مصدر الحرارة الذي يزود المحرك بالطاقة الحرارية يمكن تشغيله بواسطة أي نوع من أنواع الطاقة تقريبًا، فإن المحركات الحرارية تغطي مجموعة واسعة من التطبيقات .

غالبًا ما يتم الخلط بين المحركات الحرارية والدورات التي تحاول تنفيذها. عادةً، يُستخدم مصطلح "محرك" للإشارة إلى جهاز مادي و"دورة" للنماذج.

في الديناميكا الحرارية ، غالبًا ما يتم تصميم المحركات الحرارية باستخدام نموذج هندسي قياسي مثل دورة أوتو . يمكن تحسين النموذج النظري وزيادته ببيانات فعلية من محرك عامل، باستخدام أدوات مثل مخطط المؤشر . نظرًا لأن عددًا قليلاً جدًا من التطبيقات الفعلية للمحركات الحرارية تتطابق تمامًا مع دوراتها الديناميكية الحرارية الأساسية، فيمكن للمرء أن يقول إن الدورة الديناميكية الحرارية هي حالة مثالية للمحرك الميكانيكي. على أي حال، يتطلب الفهم الكامل للمحرك وكفاءته فهمًا جيدًا للنموذج النظري (ربما المبسط أو المثالي) والفروق الدقيقة العملية للمحرك الميكانيكي الفعلي والتناقضات بين الاثنين.

بشكل عام، كلما كان الفرق في درجة الحرارة بين المصدر الساخن والمصرف البارد أكبر، كلما كانت الكفاءة الحرارية المحتملة للدورة أكبر. على الأرض، يقتصر الجانب البارد لأي محرك حراري على أن يكون قريبًا من درجة حرارة البيئة المحيطة، أو ليس أقل كثيرًا من 300 كلفن ، لذا فإن معظم الجهود المبذولة لتحسين الكفاءات الديناميكية الحرارية لمختلف المحركات الحرارية تركز على زيادة درجة حرارة المصدر، ضمن حدود المواد. الكفاءة النظرية القصوى للمحرك الحراري (والتي لا يصل إليها أي محرك على الإطلاق) تساوي الفرق في درجة الحرارة بين الطرفين الساخن والبارد مقسومًا على درجة الحرارة عند الطرف الساخن، معبرًا عن كل منهما بدرجة حرارة مطلقة .

إن كفاءة المحركات الحرارية المختلفة المقترحة أو المستخدمة اليوم لها نطاق واسع:

• 3% ^[6] (97 بالمائة من الحرارة المهدرة باستخدام حرارة منخفضة الجودة) لاقتراح تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات (OTEC) لتوليد الطاقة من المحيطات
• 25% لمعظم محركات البنزين للسيارات ^[7]
• 49% لمحطة طاقة تعمل بالفحم فوق الحرجة مثل محطة الطاقة Avedøre
• 50%+ لمحركات الديزل البحرية ذات الشوط الطويل [1]
• 60% لتوربينات الغاز ذات الدورة المركبة ^[8]

إن كفاءة هذه العمليات تتناسب تقريبًا مع انخفاض درجة الحرارة عبرها. وقد تستهلك المعدات المساعدة، مثل المضخات، قدرًا كبيرًا من الطاقة، مما يقلل من الكفاءة بشكل فعال.

على الرغم من أن بعض الدورات لها موقع احتراق نموذجي (داخلي أو خارجي)، إلا أنه يمكن تنفيذها غالبًا مع الأخرى. على سبيل المثال، طور جون إريكسون ^[9] محركًا مسخنًا خارجيًا يعمل على دورة تشبه إلى حد كبير دورة الديزل السابقة . بالإضافة إلى ذلك، يمكن غالبًا تنفيذ المحركات المسخنة خارجيًا في دورات مفتوحة أو مغلقة. في الدورة المغلقة، يتم الاحتفاظ بسائل العمل داخل المحرك عند اكتمال الدورة بينما في الدورة المفتوحة، يتم تبادل سائل العمل مع البيئة مع منتجات الاحتراق في حالة محرك الاحتراق الداخلي أو يتم تنفيسه ببساطة إلى البيئة في حالة محركات الاحتراق الخارجية مثل المحركات البخارية والتوربينات .

تشمل الأمثلة اليومية للمحركات الحرارية محطة الطاقة الحرارية ومحرك الاحتراق الداخلي والأسلحة النارية والثلاجات والمضخات الحرارية . محطات الطاقة هي أمثلة على المحركات الحرارية التي تعمل في اتجاه أمامي حيث تتدفق الحرارة من خزان ساخن وتتدفق إلى خزان بارد لإنتاج العمل كمنتج مرغوب. الثلاجات ومكيفات الهواء والمضخات الحرارية هي أمثلة على المحركات الحرارية التي تعمل في الاتجاه المعاكس، أي أنها تستخدم العمل لأخذ الطاقة الحرارية عند درجة حرارة منخفضة ورفع درجة حرارتها بطريقة أكثر كفاءة من التحويل البسيط للعمل إلى حرارة (إما من خلال الاحتكاك أو المقاومة الكهربائية). تزيل الثلاجات الحرارة من داخل غرفة محكمة الغلق حرارياً عند درجة حرارة منخفضة وتنفيس الحرارة المهدرة عند درجة حرارة أعلى إلى البيئة وتأخذ المضخات الحرارية الحرارة من البيئة ذات درجة الحرارة المنخفضة و"تنفيسها" في غرفة محكمة الغلق حرارياً (منزل) عند درجة حرارة أعلى.

بشكل عام، تستغل المحركات الحرارية الخصائص الحرارية المرتبطة بتمدد وضغط الغازات وفقًا لقوانين الغازات أو الخصائص المرتبطة بتغيرات الطور بين حالة الغاز والحالة السائلة.

الغلاف الجوي والغلاف المائي للأرض - محرك الحرارة للأرض - عبارة عن عمليات مقترنة تعمل باستمرار على موازنة اختلالات التسخين الشمسي من خلال تبخر المياه السطحية، والحمل الحراري، وهطول الأمطار، والرياح ودوران المحيطات، عند توزيع الحرارة حول العالم. ^[10]

خلية هادلي هي مثال على المحرك الحراري. وهي تتضمن صعود الهواء الدافئ والرطب في المنطقة الاستوائية من الأرض ونزول الهواء البارد في المناطق شبه الاستوائية مما يخلق دورة حرارية مباشرة، مع إنتاج صافٍ للطاقة الحركية. ^[11]

في دورات تغيير الطور والمحركات، تكون السوائل العاملة عبارة عن غازات وسوائل. يحول المحرك السائل العامل من غاز إلى سائل، أو من سائل إلى غاز، أو كليهما، مما يؤدي إلى توليد عمل من تمدد السائل أو ضغطه.

• دورة رانكين ( المحرك البخاري الكلاسيكي )
• الدورة التجديدية ( محرك البخار أكثر كفاءة من دورة رانكين )
• دورة رانكين العضوية (تغير طور السائل المبرد في نطاقات درجات الحرارة للجليد والماء السائل الساخن)
• دورة البخار إلى السائل ( طائر الشرب ، الحاقن ، عجلة مينتو )
• دورة السائل إلى الصلب ( انتفاخ الصقيع – تغير الماء من الجليد إلى السائل ثم مرة أخرى يمكن أن يرفع الصخور حتى 60 سم.)
• دورة المواد الصلبة إلى الغازات ( الأسلحة النارية – الوقود الصلب يحترق إلى غازات ساخنة.)

في هذه الدورات والمحركات يكون السائل العامل دائمًا عبارة عن غاز (أي لا يوجد تغيير في الطور):

• دورة كارنو ( محرك كارنو الحراري )
• دورة إريكسون (سفينة السعرات الحرارية جون إريكسون)
• دورة ستيرلينج ( محرك ستيرلينج ، ^{[12] أجهزة} حرارية صوتية )
• محرك الاحتراق الداخلي (ICE):
  • دورة أوتو (على سبيل المثال محرك البنزين/البنزين )
  • دورة الديزل (مثل محرك الديزل )
  • دورة أتكينسون (محرك أتكينسون)
  • دورة برايتون أو دورة جول أو دورة إريكسون ( توربين غازي )
  • دورة لينوار (على سبيل المثال، محرك نفاث نبضي )
  • دورة ميللر (محرك ميللر)

في هذه الدورات والمحركات يكون سائل العمل دائمًا مثل السائل:

• دورة ستيرلنغ ( محرك مالون )

• محول الطاقة الحرارية الكهربائية جونسون
• الطاقة الحرارية الكهربائية ( تأثير بيلتييه-سيبيك )
• خلية حرارية جلفانية
• الانبعاث الحراري
• تبريد النفق الحراري

• محرك حراري مغناطيسي (تسلا)

الثلاجة المنزلية هي مثال على مضخة الحرارة : محرك حراري يعمل في الاتجاه المعاكس. يتم استخدام العمل لإنشاء فرق حراري. يمكن تشغيل العديد من الدورات في الاتجاه المعاكس لنقل الحرارة من الجانب البارد إلى الجانب الساخن، مما يجعل الجانب البارد أكثر برودة والجانب الساخن أكثر سخونة. إصدارات محرك الاحتراق الداخلي لهذه الدورات، بطبيعتها، ليست قابلة للعكس.

تتضمن دورات التبريد ما يلي:

• آلة دورة الهواء
• ثلاجة امتصاص الغاز
• التبريد المغناطيسي
• مبرد ستيرلينج
• التبريد بالضغط البخاري
• دورة فويومير

محرك التبخير بارتون هو محرك حراري يعتمد على دورة إنتاج الطاقة والهواء الرطب المبرد من تبخر الماء إلى هواء جاف ساخن.

المحركات الحرارية المتوسطة الحجم هي أجهزة نانوية الحجم قد تخدم هدف معالجة تدفقات الحرارة وأداء عمل مفيد على نطاقات صغيرة. تشمل التطبيقات المحتملة على سبيل المثال أجهزة التبريد الكهربائية. في مثل هذه المحركات الحرارية المتوسطة الحجم، يتقلب العمل لكل دورة تشغيل بسبب الضوضاء الحرارية. هناك مساواة دقيقة تربط متوسط ​​أسس العمل الذي يؤديه أي محرك حراري ونقل الحرارة من حمام الحرارة الأكثر سخونة. ^[13] تحول هذه العلاقة متباينة كارنو إلى مساواة دقيقة. هذه العلاقة هي أيضًا مساواة دورة كارنو

ترتبط كفاءة المحرك الحراري بكمية العمل المفيد الناتج عن كمية معينة من طاقة الحرارة المدخلة.

من قوانين الديناميكا الحرارية ، بعد دورة كاملة: ^[14]

${\displaystyle W+Q=\Delta _{cycle}U=0}$

ولذلك

${\displaystyle W=-Q=-(Q_{c}+Q_{h})}$

أين

${\displaystyle W=-\oint PdV}$هو صافي العمل المستخرج من المحرك في دورة واحدة. (إنه سلبي، وفقًا لاتفاقية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية ، حيث يتم تنفيذ العمل بواسطة المحرك.)

${\displaystyle Q_{h}>0}$هي الطاقة الحرارية المأخوذة من مصدر الحرارة المرتفع في البيئة المحيطة في دورة واحدة. (وهي طاقة إيجابية حيث يتم إضافة الطاقة الحرارية إلى المحرك.)

${\displaystyle Q_{c}=-|Q_{c}|<0}$هي الحرارة المهدرة التي يطلقها المحرك إلى حوض الحرارة البارد. (وهي سلبية ^[14] لأن المحرك يفقد الحرارة إلى الحوض.)

بمعنى آخر، يمتص المحرك الحراري طاقة الحرارة من مصدر الحرارة المرتفع الحرارة، ويحول جزء منها إلى عمل مفيد ويطلق الباقي على شكل حرارة مهدرة إلى حوض الحرارة البارد.

بشكل عام، يتم تعريف كفاءة عملية نقل الحرارة المعينة بنسبة "ما يتم إخراجه" إلى "ما يتم إدخاله". (بالنسبة للثلاجة أو مضخة الحرارة، والتي يمكن اعتبارها محركًا حراريًا يعمل في الاتجاه المعاكس، فإن هذا هو معامل الأداء وهو ≥ 1.) في حالة المحرك، يرغب المرء في استخراج العمل ويجب عليه وضع الحرارة ، على سبيل المثال من احتراق الوقود، لذلك يتم تعريف كفاءة المحرك بشكل معقول على أنها ${\displaystyle Q_{h}}$

${\displaystyle \eta ={\frac {|W|}{Q_{h}}}={\frac {Q_{h}+Q_{c}}{Q_{h}}}=1+{\frac {Q_{c}}{Q_{h}}}=1-{\frac {|Q_{c}|}{Q_{h}}}}$

تكون الكفاءة أقل من 100% بسبب الحرارة المهدرة المفقودة بشكل لا يمكن تجنبه في الحوض البارد (وعمل الضغط المقابل الذي يتم وضعه) أثناء إعادة الضغط المطلوبة عند درجة الحرارة الباردة قبل أن تحدث ضربة القدرة للمحرك مرة أخرى. ${\displaystyle Q_{c}<0}$

تعتمد الكفاءة القصوى النظرية لأي محرك حراري فقط على درجات الحرارة التي يعمل بينها. وعادة ما يتم اشتقاق هذه الكفاءة باستخدام محرك حراري وهمي مثالي مثل محرك كارنو الحراري ، على الرغم من أن المحركات الأخرى التي تستخدم دورات مختلفة يمكنها أيضًا تحقيق أقصى قدر من الكفاءة. رياضيًا، بعد دورة كاملة، يكون التغير الكلي في الإنتروبيا صفرًا:

${\displaystyle \ \ \ \Delta S_{h}+\Delta S_{c}=\Delta _{cycle}S=0}$

لاحظ أن موجب لأن التمدد المتساوي الحرارة في شوط القدرة يزيد من تعدد السائل العامل بينما سالب لأن إعادة الضغط تقلل من التعدد. إذا كان المحرك مثاليًا ويعمل بشكل عكسي ، و ، وبالتالي ^{[15] [14]}${\displaystyle \Delta S_{h}}$${\displaystyle \Delta S_{c}}$${\displaystyle Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}}$${\displaystyle Q_{c}=T_{c}\Delta S_{c}}$

${\displaystyle Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0}$,

الذي يعطي وبالتالي حد كارنو لكفاءة المحرك الحراري، ${\displaystyle Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}}$

${\displaystyle \eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$

أين هي درجة الحرارة المطلقة للمصدر الساخن ودرجة حرارة الحوض البارد، والتي تقاس عادة بالكلفن . ${\displaystyle T_{h}}$${\displaystyle T_{c}}$

السبب وراء كون هذا هو الكفاءة القصوى هو ما يلي. يُفترض أولاً أنه إذا كان من الممكن وجود محرك حراري أكثر كفاءة من محرك كارنو، فيمكن تشغيله في الاتجاه المعاكس كمضخة حرارية. يمكن استخدام التحليل الرياضي لإظهار أن هذا المزيج المفترض من شأنه أن يؤدي إلى انخفاض صافٍ في الإنتروبيا . نظرًا لأنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فإن هذا غير محتمل إحصائيًا إلى حد الاستبعاد، فإن كفاءة كارنو هي الحد الأعلى النظري للكفاءة الموثوقة لأي دورة ترموديناميكية.

من الناحية التجريبية، لم يتم إثبات أن أي محرك حراري يعمل بكفاءة أكبر من المحرك الحراري لدورة كارنو.

يوضح الشكل 2 والشكل 3 الاختلافات في كفاءة دورة كارنو مع درجة الحرارة. يوضح الشكل 2 كيف تتغير الكفاءة مع زيادة درجة حرارة إضافة الحرارة عند درجة حرارة ثابتة لدخول الضاغط. يوضح الشكل 3 كيف تتغير الكفاءة مع زيادة درجة حرارة رفض الحرارة عند درجة حرارة ثابتة لدخول التوربين.

بطبيعتها، يجب أن تعمل أي دورة كارنو ذات الكفاءة القصوى عند تدرج درجة حرارة لا نهائي في الصغر ؛ وذلك لأن أي انتقال للحرارة بين جسمين بدرجات حرارة مختلفة لا رجعة فيه، وبالتالي فإن تعبير كفاءة كارنو ينطبق فقط على الحد اللامتناهي في الصغر. تكمن المشكلة الرئيسية في أن هدف معظم المحركات الحرارية هو إخراج الطاقة، ونادرًا ما تكون الطاقة اللامتناهية في الصغر مرغوبة.

يتم تقديم مقياس مختلف لكفاءة المحرك الحراري المثالي من خلال اعتبارات الديناميكا الحرارية العكسية ، حيث يتم تقسيم النظام إلى أنظمة فرعية عكسية، ولكن مع تفاعلات غير عكسية بينها. مثال كلاسيكي هو محرك Curzon-Ahlborn، ^[16] مشابه جدًا لمحرك كارنو، ولكن حيث يُسمح للخزانات الحرارية عند درجة الحرارة و أن تكون مختلفة عن درجات حرارة المادة التي تمر عبر دورة كارنو العكسية: و . تعتبر عمليات نقل الحرارة بين الخزانات والمادة موصلة (وغير عكسية) في شكل . في هذه الحالة، يجب إجراء مقايضة بين خرج الطاقة والكفاءة. إذا تم تشغيل المحرك ببطء شديد، يكون تدفق الحرارة منخفضًا، ويتم العثور على نتيجة كارنو الكلاسيكية ${\displaystyle T_{h}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T'_{h}}$${\displaystyle T'_{c}}$${\displaystyle dQ_{h,c}/dt=\alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})}$${\displaystyle T\approx T'}$

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$,

ولكن على حساب انخفاض القدرة الناتجة. وإذا اختار المرء بدلاً من ذلك تشغيل المحرك بأقصى قدرة خرج له، فإن الكفاءة تصبح

${\displaystyle \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}}$(ملاحظة: T بوحدات K أو °R )

يؤدي هذا النموذج عملاً أفضل في التنبؤ بمدى قدرة محركات الحرارة في العالم الحقيقي على الأداء (Callen 1985، انظر أيضًا الديناميكا الحرارية العكسية ):

كفاءة محطات الطاقة ^[16]

محطة توليد الطاقة	${\displaystyle T_{c}}$(درجة مئوية)	${\displaystyle T_{h}}$(درجة مئوية)	${\displaystyle \eta }$(كارنو)	${\displaystyle \eta }$(قابل للعكس)	${\displaystyle \eta }$(لاحظ)
محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في ويست ثوروك (المملكة المتحدة)	25	565	0.64	0.40	0.36
محطة الطاقة النووية CANDU (كندا)	25	300	0.48	0.28	0.30
محطة الطاقة الحرارية الأرضية لارديريلو (إيطاليا)	80	250	0.33	0.178	0.16

كما هو موضح، فإن كفاءة كيرزون-أهلبورن تنمذج بشكل أوثق بكثير من تلك التي تمت ملاحظتها.

كانت المحركات الحرارية معروفة منذ العصور القديمة، ولكن لم يتم تحويلها إلى أجهزة مفيدة إلا في وقت الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر. ولا تزال قيد التطوير حتى يومنا هذا.

لقد درس المهندسون دورات المحرك الحراري المختلفة لتحسين كمية العمل القابل للاستخدام التي يمكنهم استخراجها من مصدر طاقة معين. لا يمكن الوصول إلى حد دورة كارنو بأي دورة تعتمد على الغاز، لكن المهندسين وجدوا طريقتين على الأقل لتجاوز هذا الحد وطريقة واحدة للحصول على كفاءة أفضل دون ثني أي قواعد:

1. زيادة فرق درجات الحرارة في المحرك الحراري. أبسط طريقة للقيام بذلك هي زيادة درجة حرارة الجانب الساخن، وهو النهج المستخدم في توربينات الغاز الحديثة ذات الدورة المركبة . لسوء الحظ، فإن الحدود الفيزيائية (مثل نقطة انصهار المواد المستخدمة في بناء المحرك) والمخاوف البيئية المتعلقة بإنتاج NO _x (إذا كان مصدر الحرارة هو الاحتراق مع الهواء المحيط) تقيد الحد الأقصى لدرجة الحرارة على محركات الحرارة القابلة للعمل. تعمل توربينات الغاز الحديثة عند درجات حرارة عالية قدر الإمكان ضمن نطاق درجات الحرارة اللازمة للحفاظ على ناتج NO _{x المقبول} ^{[ بحاجة لمصدر ]} . طريقة أخرى لزيادة الكفاءة هي خفض درجة حرارة الإخراج. إحدى الطرق الجديدة للقيام بذلك هي استخدام سوائل العمل الكيميائية المختلطة، ثم استغلال السلوك المتغير للمخاليط. واحدة من أشهرها هي ما يسمى دورة كالينا ، والتي تستخدم مزيجًا بنسبة 70/30 من الأمونيا والماء كسائل عمل. يسمح هذا الخليط للدورة بتوليد طاقة مفيدة عند درجات حرارة أقل بكثير من معظم العمليات الأخرى.
2. استغلال الخصائص الفيزيائية للسائل العامل. وأكثر هذه الاستغلالات شيوعًا هو استخدام الماء فوق النقطة الحرجة ( الماء فوق الحرج ). يتغير سلوك السوائل فوق نقطتها الحرجة بشكل جذري، ومع مواد مثل الماء وثاني أكسيد الكربون من الممكن استغلال هذه التغييرات في السلوك لاستخراج كفاءة ترموديناميكية أكبر من المحرك الحراري، حتى لو كان يستخدم دورة برايتون أو رانكين التقليدية إلى حد ما. مادة أحدث وواعدة جدًا لمثل هذه التطبيقات هي ثاني _أكسيد الكربون فوق الحرج . كما تم النظر في ثاني أكسيد الكبريت _{والزينون} لمثل هذه التطبيقات. تشمل الجوانب السلبية قضايا التآكل والتآكل، والسلوك الكيميائي المختلف فوق وتحت النقطة الحرجة، والضغوط العالية المطلوبة - وفي حالة ثاني أكسيد الكبريت وبدرجة أقل ثاني أكسيد الكربون - السمية. من بين المركبات المذكورة، يعد الزينون الأقل ملاءمة للاستخدام في المفاعل النووي بسبب المقطع العرضي العالي لامتصاص النيوترونات لجميع نظائر الزينون تقريبًا ، في حين يمكن لثاني أكسيد الكربون والماء أيضًا أن يعملا كمهدئ للنيوترونات لمفاعل الطيف الحراري.
3. استغلال الخصائص الكيميائية لسائل العمل. هناك استغلال جديد ومبتكر إلى حد ما وهو استخدام سوائل عمل غريبة ذات خصائص كيميائية مفيدة. أحد هذه السوائل هو ثاني أكسيد النيتروجين (NO ₂ )، وهو مكون سام للضباب الدخاني، والذي يحتوي على ثنائي طبيعي مثل رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين (N ₂ O ₄ ). عند درجة حرارة منخفضة، يتم ضغط N ₂ O ₄ ثم تسخينه. تتسبب درجة الحرارة المتزايدة في تفكك كل N 2 O 4 إلى جزيئين NO _2. يؤدي _{هذا إلى} خفض الوزن الجزيئي لسائل العمل، مما يزيد بشكل كبير من كفاءة الدورة. بمجرد تمدد NO ₂ عبر التوربين، يتم تبريده بواسطة المشتت الحراري ، مما يجعله يعاد تجميعه إلى N ₂ O ₄ . ثم يتم إرجاعه بواسطة الضاغط لدورة أخرى. تم التحقيق في أنواع مثل بروميد الألومنيوم (Al ₂ Br ₆ ) وNOCl وGa ₂ I ₆ لمثل هذه الاستخدامات. حتى الآن، لم تبرر عيوبها استخدامها، على الرغم من مكاسب الكفاءة التي يمكن تحقيقها. ^[17]

دورة	الضغط، 1→2	إضافة الحرارة، 2→3	التوسع، 3→4	رفض الحرارة، 4→1	ملحوظات
دورات الطاقة عادة مع الاحتراق الخارجي - أو دورات المضخة الحرارية:
بيل كولمان	أدياباتي	متساوي الضغط	أدياباتي	متساوي الضغط	دورة برايتون المعكوسة
كارنو	متساوي الانتروبيا	متحاور	متساوي الانتروبيا	متحاور	محرك كارنو الحراري
اريكسون	متحاور	متساوي الضغط	متحاور	متساوي الضغط	دورة إريكسون الثانية من عام 1853
رانكين	أدياباتي	متساوي الضغط	أدياباتي	متساوي الضغط	محركات البخار
استرطابي	أدياباتي	متساوي الضغط	أدياباتي	متساوي الضغط
سكوديري	أدياباتي	الضغط والحجم المتغير	أدياباتي	متساوي الأضلاع
ستيرلنغ	متحاور	متساوي الأضلاع	متحاور	متساوي الأضلاع	محركات ستيرلينغ
مانسون	متحاور	متساوي الأضلاع	متحاور	متساوي الحرارة ثم أدياباتي	محركات مانسون ومانسون -جيس
ستودارد	أدياباتي	متساوي الضغط	أدياباتي	متساوي الضغط
تدور الطاقة بشكل طبيعي مع الاحتراق الداخلي :
أتكينسون	متساوي الانتروبيا	متساوي الأضلاع	متساوي الانتروبيا	متساوي الأضلاع	يختلف عن دورة أوتو في أن V1 < V4 .
برايتون	أدياباتي	متساوي الضغط	أدياباتي	متساوي الضغط	المحركات النفاثة ، والمحركات التوربينية ، والمراوح ، والأعمدة . تم تطويرها في الأصل لاستخدامها في المحركات الترددية. تُعرف نسخة الاحتراق الخارجي من هذه الدورة باسم دورة إريكسون الأولى من عام 1833.
ديزل	أدياباتي	متساوي الضغط	أدياباتي	متساوي الأضلاع	محرك ديزل
همفري	متساوي الانتروبيا	متساوي الأضلاع	متساوي الانتروبيا	متساوي الضغط	محركات التفجير النبضي والمستمر​
لينوار		متساوي الأضلاع	أدياباتي	متساوي الضغط	نفاثات النبضات 1→2 تحقق كل من طرد الحرارة والضغط. تم تطويرها في الأصل للاستخدام في المحركات الترددية.
أوتو	متساوي الانتروبيا	متساوي الأضلاع	متساوي الانتروبيا	متساوي الأضلاع	محركات البنزين / البنزين

كل عملية هي واحدة من العمليات التالية:

• ثابت الحرارة (عند درجة حرارة ثابتة، يتم الحفاظ عليها عن طريق إضافة الحرارة أو إزالتها من مصدر الحرارة أو الحوض)
• متساوي الضغط (عند ضغط ثابت)
• متساوي القياس/متساوي القياس (عند حجم ثابت)، ويشار إليه أيضًا باسم متساوي الحجم
• أدياباتي (لا تتم إضافة أو إزالة الحرارة من النظام أثناء العملية الأدياباتية)
• إيزنتروبية (عملية معتمة عكسية، لا تتم إضافة أو إزالة الحرارة أثناء العملية إيزنتروبية)

• محرك كارنو الحراري
• التوليد المشترك للطاقة
• ثلاجة أينشتاين
• مضخة الحرارة
• محرك ترددي لوصف عام لميكانيكا محركات المكبس
• محرك ستيرلينغ
• التخليق الحراري
• التسلسل الزمني لتكنولوجيا المحرك الحراري

• كرومر، هربرت؛ كيتل، تشارلز (1980). الفيزياء الحرارية (الطبعة الثانية). شركة دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 0-7167-1088-9.
• كالين، هربرت ب. (1985). الديناميكا الحرارية ومقدمة في علم ترموستاتيكا الحرارة (الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 0-471-86256-8.
• روبنسون، كلارك (1943). الديناميكا الحرارية للأسلحة النارية . شركة ماجرو هيل للكتب.