محرك حراري

تعرف كفاءة آلة حرارية بأنها جزء الطاقة الحرارية القادمة من الوقود التي تتحول إلى شغل. وتوجد للكفاءة حد أقصى ${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}}$  تعرفها دورة كارنو حيث يمد النظام بطاقة من الخارج، ويخرج منه قدرا من الحرارة عند درجتين من درجات الحرارة معروفتين ${\displaystyle {T_{\mathrm {max} }}}$  و${\displaystyle {T_{\mathrm {min} }}}$  بافتراض عدم حدوث فقد للحرارة عن طريق الاحتكاك أو تسريب حراري. وتعرف دورة كارنو الكفاءة بأنها :

${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}={\frac {T_{\mathrm {max} }-T_{\mathrm {min} }}{T_{\mathrm {max} }}}=1-{\frac {T_{\mathrm {min} }}{T_{\mathrm {max} }}}}$ 

وللوصول إلى كفاءة كارنو لآلة يشترط ان تتم جميع العمليات في الدورة الترموديناميكية كعمليات عكوسية. وهذا معناه ان ما يسمى في الحركة الحرارية ب إنتروبيا S النظام ككل مكونا من الآلة نفسها والجو المحيط بها لا تزيد (أي تبقى الإنتروبية ثابتة لا تتغير).

وطبقا ل القانون الثاني للديناميكا الحرارية فلا يمكن للإنتروبية أن تنخفض، وبناء على ذلك فلا بد من الاحتفاظ بها ثابتة خلال عمليات الدورة.

${\displaystyle \Delta S=\oint dS=\oint {\frac {dQ}{T}}=0}$ 

dQ هي كمية صغيرة من الحرارة المتبادلة خلال إحدى خطوات العملية، عند درجة الحرارة T .

وعمليا لا يمكن الوصول إلى كفاءة دورة كارنو، ذلك لأن :

• اكتساب الحرارة يتم عند درجة حرارة اقل من

${\displaystyle T_{\mathrm {max} }}$  وفقد حرارة يتم أيضا عند درجات حرارة أعلى من ${\displaystyle {T_{\mathrm {min} }}}$  ؛ فحرارة العادم تكون أعلى قليلا عن درجة حرارة الجو (مثلما في محرك السيارة أو محرك ستيرلينغ رغم العزل التام للحرارة).

• أي آلة تحدث فيها احتكاك، مما يخفض من نسبة الشغل المكتسب، وأخيرا
• عندما تسير العمليات سريعا وتتسرب حرارة بسبب التوصيل الحراري، فيضيع جزء من الحرارة ولا يتحول إلى شغل ننتفع به.

بالنسبة إلى مضخة حرارية -وهي بعكس الآلة الحرارية تحول الشغل إلى حرارة - فتوصف كفاءتها بمقياس عدد القدرة.

محرك احتراق داخلي

يعمل محرك الاحتراق الداخلي عند درجات حرارة تصل أي 2500 درجة مئوية (2773 كلفن ويخرج منها غاز العادم عند درجة حرارة نحو 1000 درجة مئوية (1273 كلفن). فتكون كفاءة المحرك :

${\displaystyle \eta =1-{\frac {1273\,\mathrm {K} }{2773\,\mathrm {K} }}=0{,}54=54\,\%}$ 

وفي الواقع تصل كفاءة محرك الجازولين الذي يعمل في ظروف ملائمة إلى 38 % فقط، ومحرك ديزل 45 % فقط، ومحركات السفن التي تعمل بطيئا قد تصل كفاءتها 50%. ورغما ذلك ففي الظروف الطبيعية للقيادة يعمل محرك السيارة التي تحرق البنزين بكفاءة اقل من 25 % كما تصل كفاءة محرك الديزل في الظروف الطبيعية للقيادة أقل من 30%.

محطة قوى بالغاز والبخار

يمكن ربط دورات ترموديناميكية مختلفة ببعضها البعض مثلما في حالة محطة القوى التي تعمل بالغاز والبخار : فهي تجمع بين عمليات توربين غازي و محطة طاقة بخارية :

1. تتميز باستغلال عملية تصل فيها درجة حرارة الغاز إلى 1500 درجة مئوية لتشغيل التوربين، ويخرج الغاز من التوربين ودرجة حرارته نحو 700 درجة مئوية،
2. ثم استغلال عملية تتم عند درجة حرارة بين 700 إلى 100 درجة مئوية في الآلة البخارية.

بذلك يمكن من الوجهة النظرية الوصول إلى كفاءة دورة مكافئة تعمل بين درجتي الحرارة 1500 - 100 مئوية. وتصل كفاءة مثل تلك المحطة عمليا إلى نحو 60%.

بما أن غازا يستعمل كوسط للشغل فيمكن تصنيف الآلة الحرارية بكونها تنتمي إلى مايسمى "آلة سيولية حرارية "

تصنيف طبقا لطريقة إنتاج الطاقة

• محرك احتراق داخلي (آلة سيولية حرارية ذات احتراق داخلي)
  • محرك احتراق داخلي
  • توربين غازي
• آلة سيولية حرارية ذات احتراق خارجي
  • آلة بخارية
  • توربين بخاري
  • محرك ستيرلينغ

تصنيف طبقا لتولد الضغط

• آلة سيولية
  • آلة طوربو
    • توربين بخاري
    • توربين غازي
    • محرك نفاث
    • محرك نفاث طوربو
    • محرك عنفي مروحي
    • محرك صاروخي
• آلة بالمكبس
  • محرك الاحتراق الداخلي (احتراق داخلي)
  • آلة بخارية (احتراق خارجي)
  • محرك ستيرلينغ (احتراق خارجي)