히트 엔진

열역학
고전적인 카르노 히트 엔진
나뭇가지 고전적인 통계 화학의 양자 열역학 평형/비평형
법률 제로스 첫번째 둘째 셋째
시스템들 폐쇄형 시스템 오픈 시스템 격리 시스템 주 상태 방정식 이상 기체 실가스 상황 위상(매터) 평형 볼륨 제어 인스트루먼트 과정 이소바릭 아이소코리 등온 단열성 등엔트로픽 이센탈픽 준정전성 폴리트로픽 자유 확장 가역성 불가역성 내복원성 사이클 히트 엔진 히트 펌프 열효율
시스템 속성 주의: 이탤릭체로 표시된 켤레 변수 속성도 집약적이고 광범위한 속성 프로세스 기능 일하다. 열 국가 기능 온도/엔트로피(개요) 압력/볼륨 화학 퍼텐셜/입자수 증기 품질 속성 감소
재료 특성 속성 데이터베이스 비열 용량 ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ $\displaystyle \partial S\$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle\partial T}$ 압축성 $\displaystyle \displays =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ $(\displaystyle\displayp)$ 열팽창 $\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle\partial T}$
방정식 카르노의 정리 클라우시우스 정리 기본 관계 이상기체의 법칙 맥스웰 관계 온사저 호혜 관계 브리지만 방정식 열역학 방정식 표
가능성 자유 에너지 자유 엔트로피 내부 에너지 ${\displaystyle U(S,V)}$ 엔탈피 ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ 헬름홀츠 자유 에너지 ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ 깁스 자유 에너지 ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
역사 문화 역사 일반 엔트로피 가스 법칙 "영구 운동" 기계 철학 엔트로피와 시간 엔트로피와 생명 브라운 래칫 맥스웰의 악마 열사 역설 로슈미트의 역설 시너제틱스 이론들 열량론 Vis viva ('생체력') 열의 기계적 등가 동력 주요 출판물 실험적인 질문 ~에 대해서열 균형에 대하여 이종 물질 의 리플렉션 불의 원동력 타임라인 열역학 히트 엔진 예체능 교육 맥스웰의 열역학 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피
과학자 베르누이 볼츠만 브리지만 카라테오도리 카르노 클라피론 클라우시우스 돈더 듀헴 깁스 폰 헬름홀츠 줄 루이스 마시외 맥스웰 폰 메이어 네른스트 온사게 플랑크 랭킨 스미톤 스틸 태트 톰슨 톰슨 판 데르 발스 워터스톤
다른. 핵생성 자가 조립 자기 조직화 질서와 무질서
카테고리
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열역학 및 공학에서 열 엔진은 열을 기계적 에너지로 변환하는 시스템이며, 이 시스템은 기계적 ^[1][2]작업을 수행하는 데 사용될 수 있습니다.이것은 높은 상태의 온도에서 낮은 상태의 온도로 작동 물질을 가져옴으로써 이를 가능하게 합니다.열원은 작동 물질을 더 높은 온도 상태로 만드는 열에너지를 발생시킨다.작동 물질은 낮은 온도 상태에 도달할 때까지 열을 차가운 싱크대로 전달하는 동안 엔진의 작동 본체에서 작업을 생성합니다.이 과정에서 일부 열 에너지는 작동 물질의 특성을 이용하여 작업으로 전환됩니다.작동 물질은 열 용량이 0이 아닌 모든 시스템이 될 수 있지만, 일반적으로 기체 또는 액체입니다.이 과정에서 일부 열은 일반적으로 주변으로 손실되어 작동으로 전환되지 않습니다.또한 마찰과 항력으로 인해 에너지를 사용할 수 없습니다.

일반적으로 엔진은 에너지를 기계적인 작업으로 변환하는 기계입니다.열 엔진은 카르노의 정리에 ^[3]따라 효율이 근본적으로 제한된다는 점에서 다른 엔진과 차별화된다.이러한 효율 제한은 단점이 될 수 있지만, 열 엔진의 장점은 대부분의 형태의 에너지가 발열 반응(예: 연소), 핵분열, 빛 또는 에너지 입자의 흡수, 마찰, 방산 및 저항과 같은 프로세스에 의해 쉽게 열로 전환될 수 있다는 것입니다.따라서 엔진에 열에너지를 공급하는 열원은 거의 모든 종류의 에너지로 구동될 수 있기 때문에 열 엔진은 다양한 용도로 사용됩니다.

열 엔진은 구현하려는 사이클과 혼동되는 경우가 많습니다.일반적으로 물리적 장치에는 "엔진"이라는 용어가 사용되고 모델에는 "사이클"이라는 용어가 사용됩니다.

개요

열역학에서 열 엔진은 종종 오토 사이클과 같은 표준 엔지니어링 모델을 사용하여 모델링됩니다.이론 모델은 인디케이터 다이어그램과 같은 도구를 사용하여 작동 중인 엔진의 실제 데이터를 사용하여 수정 및 증강할 수 있습니다.열엔진의 실제 구현이 그 기본 열역학 사이클과 정확히 일치하기 때문에 열역학 사이클은 기계식 엔진의 이상적인 경우라고 할 수 있습니다.어느 경우든 엔진과 엔진 효율을 완전히 이해하려면 (간단화되거나 이상화된) 이론 모델, 실제 기계 엔진의 실제 차이 및 두 가지 사이의 차이를 잘 이해해야 합니다.

일반적으로 열원과 콜드 싱크의 온도차가 클수록 사이클의 잠재적 열효율이 커집니다.지구에서는 모든 열 엔진의 차가운 면이 주변 온도에 가깝거나 300 켈빈보다 훨씬 낮으면 안 됩니다. 따라서 다양한 열 엔진의 열역학적 효율성을 개선하기 위한 대부분의 노력은 소스의 온도를 재료 한계 내에서 높이는 데 초점을 맞추고 있습니다.열 엔진의 이론상 최대 효율(엔진이 도달하지 않음)은 핫 엔드와 콜드 엔드의 온도 차이를 핫 엔드의 온도(절대 온도)로 나눈 값과 동일합니다.

오늘날 제안되거나 사용되는 다양한 열 엔진의 효율은 다음과 같은 광범위한 범위를 가집니다.

• 해양열 에너지 변환(OTEC) 해양 전력 제안의 3%(^[4]저품질 열 사용 시 97%의 폐열)
• 대부분의 자동차용 가솔린^[5] 엔진용 25%
• Avedöre 발전소와 같은 초임계 석탄 화력발전소의 경우 49%
• 복합 사이클 가스터빈의^[6] 경우 60%

이러한 프로세스의 효율은 프로세스 전체의 온도 강하에 거의 비례합니다.펌프와 같은 보조 장비에 의해 상당한 에너지가 소비될 수 있으며, 이는 효율성을 효과적으로 감소시킵니다.

예

일부 사이클은 일반적인 연소 위치(내부 또는 외부)를 가지지만 다른 사이클과 함께 구현되는 경우가 많습니다.예를 들어, John Ericson은^[7] 이전의 디젤 사이클과 매우 유사한 사이클로 작동하는 외부 가열식 엔진을 개발했습니다.또한 외부 가열 엔진은 종종 개방 또는 폐쇄 사이클로 구현될 수 있습니다.폐쇄 사이클에서는 사이클 완료 시 작동액이 엔진 내부에 유지되는 반면, 개방 사이클에서는 작동액이 내연기관의 경우 연소 생성물과 함께 환경과 교환되거나 외연기관의 경우 단순히 환경으로 배출됩니다.ke 증기 엔진과 터빈.

일상 예

열엔진의 일상적인 예로는 화력발전소, 내연기관, 화기, 냉장고, 열펌프 등이 있다.발전소는 열이 뜨거운 저장소에서 흘러나와 차가운 저장소로 흘러 들어가 원하는 제품으로 작업을 생성하는 열 엔진의 예입니다.냉장고, 에어컨 및 열 펌프는 반대로 작동하는 열 엔진의 예입니다. 즉, 낮은 온도에서 열에너지를 흡수하고 단순히 열로 변환하는 작업(마찰 또는 전기 저항을 통해)보다 더 효율적인 방식으로 온도를 상승시키는 작업을 사용합니다.냉장고는 저온에서 열 밀폐된 챔버 내의 열을 제거하고 더 높은 온도에서 폐열을 환경으로 배출하며, 열 펌프는 저온 환경에서 열을 흡수하여 고온에서 열 밀폐된 챔버(가정)로 '환기'합니다.

일반적으로 열 엔진은 기체 법칙에 따라 기체의 팽창 및 압축과 관련된 열 특성 또는 기체와 액체 상태 간의 위상 변화와 관련된 특성을 활용합니다.

지구의 열기관

지구의 대기와 수구(지구의 열 엔진)는 지구 ^[8]전체에 열을 분배할 때 지표수의 증발, 대류, 강우, 바람 및 해양 순환을 통해 태양 난방 불균형을 지속적으로 해소하는 결합된 과정입니다.

Hadley 셀은 열 엔진의 한 예입니다.그것은 지구 적도 지역에서 따뜻하고 습한 공기가 상승하고 아트로픽스에서 차가운 공기가 하강하여 열 구동식 직접 순환을 만들고 결과적으로 운동에너지의 ^[9]순생산을 수반한다.

상변화 사이클

이러한 사이클과 엔진에서 작동 유체는 기체와 액체입니다.엔진은 작동 중인 유체를 기체에서 액체, 액체에서 기체 또는 둘 다로 변환하여 유체 팽창 또는 압축으로부터 작업을 생성합니다.

• 랭킨 사이클(클래식 증기 엔진)
• 회생 사이클(랭킨 사이클보다 효율적인 증기 엔진)
• 유기 랭킨 사이클(얼음 및 뜨거운 액체 상태의 온도 범위에서 냉매 변화)
• 증기-액체 사이클(드링 버드, 인젝터, 민토 휠)
• 액체에서 고체로의 순환(서리 제거 – 물이 얼음에서 액체로 바뀌었다가 다시 되돌아오는 경우 바위를 최대 60cm까지 들어올릴 수 있음)
• 고체에서 가스 사이클(화기 – 고체 추진제가 뜨거운 가스로 연소)

가스 전용 사이클

이러한 사이클 및 엔진에서 작동 유체는 항상 기체입니다(즉, 위상 변화가 없습니다).

• 카르노 사이클(카르노 히트 엔진)
• 에릭슨 사이클(열량선 존 에릭슨)
• 스털링 사이클(스털링 엔진,^[10] 열음향 장치)
• 내연기관(ICE):
  • 오토 사이클(예: 가솔린/가솔린 엔진)
  • 디젤 사이클(예: 디젤 엔진)
  • 앳킨슨 사이클(앳킨슨 엔진)
  • 브레이튼 사이클 또는 줄 사이클 원래 에릭슨 사이클(가스터빈)
  • Lenoir 사이클(예: 펄스 제트 엔진)
  • 밀러 사이클(밀러 엔진)

액체 전용 사이클

이러한 사이클 및 엔진에서 작동 유체는 항상 액체입니다.

• 스털링 사이클(말론 엔진)
• 열재생^[11] 사이클론

전자 주기

• 존슨 열전 변환기
• 열전(펠티에-제벡 효과)
• 서모갈바닉 전지
• 열전자 방출
• 서모터널 냉각

자기 사이클

• 열자기 모터(테슬라)

냉동에 사용하는 사이클

가정용 냉장고는 히트 펌프의 한 예입니다. 역방향의 히트 엔진입니다.워크는 열차이를 만드는 데 사용됩니다.많은 사이클이 역주행하여 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 열을 이동시켜 차가운 쪽은 더 차갑게 하고 뜨거운 쪽은 더 뜨겁게 만들 수 있습니다.이러한 사이클의 내연기관 버전은 본질적으로 되돌릴 수 없습니다.

냉동 사이클에는 다음이 포함됩니다.

• 에어 사이클 머신
• 가스 흡수식 냉장고
• 자기냉동
• 스털링 저온 냉각기
• 증기 압축 냉동
• 뷔뤼미에 순환

증발식 열기관

바톤 증발 엔진은 고온 건조한 공기로의 물의 증발로 인한 에너지와 냉각된 습한 공기를 생성하는 사이클을 기반으로 하는 열 엔진입니다.

메조스코프식 열기관

메조스코프식 열엔진은 열유속 처리의 목적을 달성하고 소규모로 유용한 작업을 수행할 수 있는 나노 크기의 장치이다.잠재적 용도에는 예를 들어 전기 냉각 장치가 포함됩니다.이러한 메조스코프식 열엔진은 열소음 때문에 동작 사이클당 작업량이 변동한다.열 엔진에 의해 수행되는 작업의 평균과 뜨거운 ^[12]열욕으로부터의 열 전달과 관련된 정확한 동일성이 있습니다.이 관계는 카르노의 불평등을 정확한 평등으로 바꾼다.이 관계도 카르노 사이클 등식입니다.

효율성.

열 엔진의 효율은 주어진 양의 열 에너지 입력에 대해 얼마나 많은 유용한 작업이 출력되는지와 관련이 있습니다.

열역학의 법칙에서 사이클 완료 ^[13]후:

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

그렇기 때문에

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

어디에

${\displaystyle }$W $=$ - ${\displaystyle \oint }$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle d}$ V$(\displaystyle$ W=-\$point$ PdV$)$는 엔진에서 한 사이클 동안 추출된 순 작업량입니다.(IUPAC 규칙에 따르면 작업은 엔진에 의해 수행되므로 음수입니다.)

h> (\ $displaystyle Q_{h}$> 0 )는, 1 사이클로 주위의 고온 열원으로부터 얻은 열에너지입니다.(엔진에는 열에너지가 추가되므로 양수입니다.)

c - < { $displaystyle$ Q _ { c } = - $Q$_ { $c }$ < $0$}는 엔진이 차가운 온도 히트 싱크로 방출하는 폐열입니다(엔진에 의해 싱크대로 열이 손실되므로 음수입니다^[13]).

즉, 열엔진은 고온의 열원으로부터 열에너지를 흡수하고, 그 일부를 유용한 작업으로 변환하고, 나머지는 냉온 히트싱크에 폐열로 방출한다.

일반적으로 열전달 프로세스의 효율은 "꺼낸 것"과 "넣은 것"의 비율에 의해 정의된다.(냉장고나 히트펌프는 역방향으로 열엔진이 가동되는 것으로 간주할 수 있으며, 이는 성능계수이며 1 이하이다.)엔진의 경우, 예를 들어 연료 연소로 인해 $(\$의 $열$을 가해야 하므로 엔진 효율은 다음과 같이 합리적으로 정의됩니다.

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

엔진 파워 스트로크가 다시 발생하기 전에 저온에서 필요한 재압축 중에 불가피하게 콜드 싱크로 손실되는 폐열 c <$0$ { $displaystyle Q_{c$} < 0} 때문에 효율이 100% 미만입니다.

모든 열 엔진의 이론적인 최대 효율은 작동 온도에 따라 달라집니다.이 효율은 일반적으로 카르노 열 엔진과 같은 이상적인 가상 열 엔진을 사용하여 도출되지만, 다른 사이클을 사용하는 다른 엔진도 최대 효율을 달성할 수 있습니다.수학적으로 전체 사이클 후 엔트로피의 전체적인 변화는 0입니다.

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

${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle S_{}}$h \ $displaystyle$\$Delta S_{h}$는 파워 스트로크의 등온팽창이 작동유체의 다수를 증가시키기 때문에 양이고 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle S_{}}$ c$$\ $displaystyle$\ $Delta S_{c}$는 재압축이 다수를 감소시키므로 음이다.엔진이 이상적이고 가역적으로 작동하는 경우 ${\displaystyle Q_{}}$ h ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle T_{}}$ h ${\displaystyle {}_{}}$ S$$ \ $displaystyle Q_{h$} $=$$T_{h}\Delta S_{h}$ 및$$ ${\displaystyle Q_{}}$ c ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ S c \ $displaystyle$ Q_{$c} =$$T_$^[14][13]${c}\Delta S_{c$ 등

${\displaystyle Q_{}}$h / ${\displaystyle T_{}}$h + ${\displaystyle {}_{}{c}_{}}$ / ${\displaystyle T{}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ { $displaystyle Q_{h}$ / $T_{h}$ + $Q_${c} / $T_{c}$=$0$、

${\displaystyle Q_{}}$ c${\displaystyle {}_{}}$/ ${\displaystyle Q_{}}$ h $=$ - ${\displaystyle {}_{}{c}_{}}$ / ${\displaystyle T_{}}$ h $({$ $displaystyle Q_{c}/Q_{h$}=-$T_{c}/T_{h})$ 이므로