محرك حراري

المحرك الحراري هو نظام ينقل الطاقة الحرارية لأداء شغل ميكانيكي أو كهربائي . ^{[ 1 ] [ 2 ]} على الرغم من أن مفهوم المحرك الحراري صُمم في الأصل في سياق الطاقة الميكانيكية، إلا أنه طُبِّق على أنواع أخرى من الطاقة، وخاصة الكهربائية ، منذ أواخر القرن التاسع عشر على الأقل. ^{[ 3 ] [ 4 ]} يعمل المحرك الحراري عن طريق نقل مادة عاملة من درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة أقل. يوفر مصدر حراري الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة المادة العاملة. تقوم المادة العاملة بأداء شغل داخل جسم المحرك، ناقلةً الحرارة إلى الجزء البارد منها حتى تصل إلى درجة حرارة أقل. خلال هذه العملية، يتحول جزء من الطاقة الحرارية إلى شغل من خلال استغلال خصائص المادة العاملة. يمكن أن تكون المادة العاملة أي نظام ذي سعة حرارية غير صفرية، ولكنها عادةً ما تكون غازًا أو سائلًا . خلال هذه العملية، يُفقد جزء من الحرارة عادةً إلى المحيط ولا يتحول إلى شغل. كذلك، في المحرك الميكانيكي، يكون جزء من الطاقة غير قابل للاستخدام بسبب الاحتكاك والمقاومة .

بشكل عام، المحرك هو أي آلة تحول الطاقة إلى شغل ميكانيكي . تتميز المحركات الحرارية عن غيرها من أنواع المحركات بأن كفاءتها محدودة أساسًا بنظرية كارنو للديناميكا الحرارية . ^{[ 5 ]} ورغم أن هذا القيد في الكفاءة قد يُعد عيبًا، إلا أن من مزايا المحركات الحرارية سهولة تحويل معظم أشكال الطاقة إلى حرارة من خلال عمليات مثل التفاعلات الطاردة للحرارة (كالاحتراق)، والانشطار النووي ، وامتصاص الضوء أو الجسيمات النشطة، والاحتكاك ، والتبديد ، والمقاومة . وبما أن مصدر الحرارة الذي يزود المحرك بالطاقة الحرارية يمكن تشغيله بأي نوع من أنواع الطاقة تقريبًا، فإن المحركات الحرارية تغطي نطاقًا واسعًا من التطبيقات.

كثيراً ما يُخلط بين المحركات الحرارية والدورات التي تحاول تطبيقها. عادةً، يُستخدم مصطلح "محرك" للإشارة إلى جهاز مادي، و"دورة" للإشارة إلى النماذج؛ فعلى سبيل المثال، محرك الديزل هو آلة تُطبّق دورة ديزل .

في الديناميكا الحرارية ، غالبًا ما تُنمذج المحركات الحرارية باستخدام نموذج هندسي قياسي مثل دورة أوتو . ويمكن تحسين النموذج النظري وإثرائه ببيانات فعلية من محرك عامل، باستخدام أدوات مثل مخطط المؤشر . ولأن عددًا قليلًا جدًا من التطبيقات العملية للمحركات الحرارية يطابق تمامًا دوراتها الديناميكية الحرارية الأساسية، يمكن القول إن الدورة الديناميكية الحرارية هي حالة مثالية للمحرك الميكانيكي. على أي حال، يتطلب الفهم الكامل للمحرك وكفاءته فهمًا جيدًا للنموذج النظري (الذي قد يكون مبسطًا أو مثاليًا)، والفروقات العملية الدقيقة للمحرك الميكانيكي الفعلي، والاختلافات بينهما.

بشكل عام، كلما زاد الفرق في درجة الحرارة بين المصدر الساخن والمستودع البارد، زادت الكفاءة الحرارية المحتملة للدورة. على سطح الأرض، تقتصر درجة حرارة الجانب البارد لأي محرك حراري على أن تكون قريبة من درجة حرارة البيئة المحيطة، أو لا تقل كثيرًا عن 300 كلفن ، لذا فإن معظم الجهود المبذولة لتحسين الكفاءة الديناميكية الحرارية لمختلف المحركات الحرارية تركز على زيادة درجة حرارة المصدر، ضمن حدود المواد. تُساوي الكفاءة النظرية القصوى للمحرك الحراري (والتي لا يصل إليها أي محرك فعليًا) الفرق في درجة الحرارة بين طرفيه الساخن والبارد مقسومًا على درجة الحرارة عند الطرف الساخن، معبرًا عن كليهما بدرجة حرارة مطلقة .

تتفاوت كفاءة محركات الحرارة المختلفة المقترحة أو المستخدمة اليوم بشكل كبير:

• 3% ^{[ 6 ]} (97% من الحرارة المهدرة باستخدام حرارة منخفضة الجودة) لمقترح تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات (OTEC) لتوليد الطاقة من المحيطات
• 25% لمعظم محركات البنزين في السيارات ^{[ 7 ]}
• 49% لمحطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم فوق الحرج مثل محطة أفيدور لتوليد الطاقة
• 50%+ لمحركات الديزل البحرية ثنائية الأشواط منخفضة السرعة ^{[ 8 ]}
• 60% لتوربينات الغاز ذات الدورة المركبة ^{[ 9 ]}

تتناسب كفاءة هذه العمليات تقريبًا مع انخفاض درجة الحرارة عبرها. وقد تستهلك المعدات المساعدة، مثل المضخات، كمية كبيرة من الطاقة، مما يقلل الكفاءة بشكل ملحوظ.

على الرغم من أن بعض الدورات لها موقع احتراق نموذجي (داخلي أو خارجي)، إلا أنه يمكن تطبيقها غالبًا مع موقع احتراق آخر. على سبيل المثال، طور جون إريكسون ^{[ 10 ]} محركًا خارجي التسخين يعمل بدورة مشابهة جدًا لدورة ديزل السابقة . بالإضافة إلى ذلك، يمكن غالبًا تطبيق المحركات الخارجية التسخين في دورات مفتوحة أو مغلقة. في الدورة المغلقة، يُحتفظ بسائل التشغيل داخل المحرك عند اكتمال الدورة، بينما في الدورة المفتوحة، يُتبادل سائل التشغيل مع البيئة مع نواتج الاحتراق في حالة محرك الاحتراق الداخلي، أو يُصرف ببساطة إلى البيئة في حالة محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية والتوربينات .

ترتبط كفاءة المحرك الحراري بكمية العمل المفيد الناتج مقابل كمية معينة من الطاقة الحرارية المدخلة.

من قوانين الديناميكا الحرارية ، بعد دورة مكتملة: ^{[ 15 ]}

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

وبالتالي

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

أين

• ${\displaystyle W=-\oint PdV}$يمثل صافي الشغل المستخرج من المحرك في دورة واحدة. (وهو سالب، وفقًا لاتفاقية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية ، لأن الشغل يبذل بواسطة المحرك).
• ${\displaystyle Q_{h}>0}$تمثل الطاقة الحرارية المأخوذة من مصدر الحرارة ذي درجة الحرارة العالية في المحيط خلال دورة واحدة. (وهي قيمة موجبة لأن الطاقة الحرارية تُضاف إلى المحرك).
• ${\displaystyle Q_{c}=-|Q_{c}|<0}$تمثل هذه القيمة الحرارة المهدرة التي يطلقها المحرك إلى المشتت الحراري ذي درجة الحرارة المنخفضة. (وهي سالبة ^{[ 15 ]} لأن المحرك يفقد الحرارة إلى المشتت الحراري).

بمعنى آخر، يقوم المحرك الحراري بامتصاص الطاقة الحرارية من مصدر الحرارة ذي درجة الحرارة العالية، وتحويل جزء منها إلى عمل مفيد، وإطلاق الباقي كحرارة مهدرة إلى المشتت الحراري ذي درجة الحرارة المنخفضة.

بشكل عام، تُعرَّف كفاءة عملية نقل الحرارة بنسبة "ما يُستخرج" إلى "ما يُدخَل". (بالنسبة للثلاجة أو المضخة الحرارية، التي يمكن اعتبارها محركًا حراريًا يعمل في الاتجاه المعاكس، فإن هذه النسبة هي معامل الأداء ، وهي ≥ 1). في حالة المحرك، يُراد استخراج شغل، ولذلك يجب إدخال حرارة.${\displaystyle Q_{h}}$على سبيل المثال، من احتراق الوقود، لذا يمكن تعريف كفاءة المحرك بشكل معقول على النحو التالي: $$\displaystyle \eta =\frac {|W|}{Q_{h}}}=\frac {Q_{h}+Q_{c}}{Q_{h}}}=1+\frac {Q_{c}}{Q_{h}}}=1-\frac {|Q_{c}|}{Q_{h}}}}$$

الكفاءة أقل من 100% بسبب الحرارة المهدرة${\displaystyle Q_{c}<0}$يفقد بشكل لا مفر منه في حوض التبريد (وما يقابله من عمل ضغط) أثناء إعادة الضغط المطلوبة عند درجة الحرارة المنخفضة قبل أن تحدث شوط القدرة للمحرك مرة أخرى.

تعتمد الكفاءة القصوى النظرية لأي محرك حراري على نطاق درجات الحرارة التي يعمل ضمنها. تُستنتج هذه الكفاءة عادةً باستخدام محرك حراري مثالي افتراضي، مثل محرك كارنو الحراري ، مع العلم أن محركات أخرى تستخدم دورات مختلفة يمكنها أيضًا تحقيق الكفاءة القصوى. رياضيًا، بعد دورة كاملة، يكون التغير الكلي في الإنتروبيا صفرًا.

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

لاحظ أن${\displaystyle \Delta S_{h}}$تكون القيمة موجبة لأن التمدد المتساوي الحرارة في شوط القدرة يزيد من تعدد السائل العامل بينما${\displaystyle \Delta S_{c}}$تكون القيمة سالبة لأن إعادة الضغط تقلل من التعددية. إذا كان المحرك مثاليًا ويعمل بشكل عكسي ،${\displaystyle Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}}$و${\displaystyle Q_{c}=T_{c}\Delta S_{c}}$وبالتالي ^{[ 16 ] [ 15 ]}

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

مما يعطي${\displaystyle Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}}$وبالتالي حد كارنو لكفاءة المحرك الحراري، $${\displaystyle \eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$$

أين${\displaystyle T_{h}}$هي درجة الحرارة المطلقة للمصدر الساخن و${\displaystyle T_{c}}$درجة حرارة حوض التبريد، والتي عادة ما تقيس بالكلفن .

يكمن المنطق وراء اعتبار هذا الحد الأقصى للكفاءة فيما يلي: يُفترض أولًا أنه إذا أمكن تصميم محرك حراري أكثر كفاءة من محرك كارنو، فإنه يمكن تشغيله عكسيًا كمضخة حرارية. ويمكن استخدام التحليل الرياضي لإثبات أن هذا التركيب المفترض سيؤدي إلى انخفاض صافٍ في الإنتروبيا . وبما أن هذا الأمر، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، غير محتمل إحصائيًا لدرجة الاستبعاد، فإن كفاءة كارنو تُمثل حدًا نظريًا أعلى للكفاءة الموثوقة لأي دورة ديناميكية حرارية.

من الناحية التجريبية، لم يثبت قط أن أي محرك حراري يعمل بكفاءة أكبر من محرك حراري يعمل بدورة كارنو.

يوضح الشكلان 2 و3 تغيرات كفاءة دورة كارنو مع درجة الحرارة. يُبين الشكل 2 كيف تتغير الكفاءة مع ارتفاع درجة حرارة إضافة الحرارة عند ثبات درجة حرارة مدخل الضاغط. بينما يُبين الشكل 3 كيف تتغير الكفاءة مع ارتفاع درجة حرارة طرد الحرارة عند ثبات درجة حرارة مدخل التوربين.

محركات حرارية قابلة للانعكاس الداخلي

بحكم طبيعتها، يجب أن تعمل أي دورة كارنو ذات كفاءة قصوى عند تدرج حراري متناهي الصغر ؛ وذلك لأن أي انتقال للحرارة بين جسمين مختلفي الحرارة غير قابل للانعكاس، وبالتالي فإن معادلة كفاءة كارنو تنطبق فقط على الحد المتناهي الصغر. تكمن المشكلة الرئيسية في أن هدف معظم المحركات الحرارية هو إنتاج الطاقة، ونادرًا ما يُرغب في الحصول على طاقة متناهية الصغر.

يُقدّم مقياسٌ مختلفٌ لكفاءة المحرك الحراري المثالي من خلال اعتبارات الديناميكا الحرارية شبه العكوسة ، حيث يُقسّم النظام إلى أنظمة فرعية عكوسة، ولكن مع وجود تفاعلات غير عكوسة بينها. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك محرك كرزون-ألبورن ^{[ 17 ]} ، وهو مشابهٌ جدًا لمحرك كارنو، ولكن فيه الخزانات الحرارية عند درجة حرارة${\displaystyle T_{h}}$و${\displaystyle T_{c}}$يُسمح بأن تكون درجات الحرارة مختلفة عن درجات حرارة المادة التي تمر بدورة كارنو العكسية:${\displaystyle T'_{h}}$و${\displaystyle T'_{c}}$تُعتبر عمليات انتقال الحرارة بين الخزانات والمادة عمليات توصيل (وغير قابلة للانعكاس) على النحو التالي:${\displaystyle dQ_{h,c}/dt=\alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})}$في هذه الحالة، يجب الموازنة بين القدرة الناتجة والكفاءة. إذا تم تشغيل المحرك بسرعة منخفضة جدًا، يكون تدفق الحرارة منخفضًا.${\displaystyle T\approx T'}$وقد تم التوصل إلى نتيجة كارنو الكلاسيكية $${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}},}$$ لكن ذلك يأتي على حساب انخفاض القدرة الناتجة. أما إذا اختار المرء تشغيل المحرك بأقصى قدرة ناتجة، فإن الكفاءة تصبح $${\displaystyle \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}}$$ (ملاحظة: يجب تحديد T بوحدات درجة الحرارة المطلقة مثل K أو °R .)

يقدم هذا النموذج أداءً أفضل في التنبؤ بمدى جودة أداء المحركات الحرارية في العالم الحقيقي (كالين 1985، انظر أيضًا الديناميكا الحرارية العكسية الداخلية ):

كفاءة محطات الطاقة ^{[ 17 ]}

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

كما هو موضح، فإن كفاءة كرزون-أهلبورن تمثل بشكل أدق ما تم رصده.

عُرفت المحركات الحرارية منذ العصور القديمة، لكنها لم تُصنع كأجهزة مفيدة إلا في زمن الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر. ولا يزال تطويرها مستمراً حتى اليوم.

درس المهندسون دورات المحركات الحرارية المختلفة لتحسين كمية الطاقة القابلة للاستخدام التي يمكن استخلاصها من مصدر طاقة معين. لا يمكن الوصول إلى حد دورة كارنو مع أي دورة تعتمد على الغاز، لكن المهندسين وجدوا طريقتين على الأقل لتجاوز هذا الحد، وطريقة واحدة لتحسين الكفاءة دون تجاوز أي قواعد.

1. زيادة فرق درجة الحرارة في المحرك الحراري. أبسط طريقة لتحقيق ذلك هي رفع درجة حرارة الجانب الساخن، وهو النهج المُستخدم في توربينات الغاز الحديثة ذات الدورة المركبة . مع ذلك، فإن القيود الفيزيائية (مثل درجة انصهار المواد المستخدمة في بناء المحرك) والمخاوف البيئية المتعلقة بانبعاثات أكاسيد _{النيتروجين} (إذا كان مصدر الحرارة هو الاحتراق مع الهواء المحيط) تُقيّد درجة الحرارة القصوى للمحركات الحرارية العاملة. تعمل توربينات الغاز الحديثة عند أعلى درجة حرارة ممكنة ضمن نطاق درجات الحرارة اللازمة للحفاظ على انبعاثات مقبولة من أكاسيد النيتروجين . _هناك طريقة أخرى لزيادة الكفاءة وهي خفض درجة حرارة الخرج. إحدى الطرق الحديثة لتحقيق ذلك هي استخدام سوائل تشغيل كيميائية مختلطة، ثم استغلال تغير سلوك هذه المخاليط. من أشهر هذه الطرق دورة كالينا ، التي تستخدم مزيجًا بنسبة 70/30 من الأمونيا والماء كسائل تشغيل. يسمح هذا المزيج للدورة بتوليد طاقة مفيدة عند درجات حرارة أقل بكثير من معظم العمليات الأخرى.
2. يمكن استغلال الخصائص الفيزيائية لسائل التشغيل. وأكثر هذه الاستغلالات شيوعًا هو استخدام الماء فوق النقطة الحرجة ( الماء فوق الحرج ). يتغير سلوك السوائل فوق نقطتها الحرجة بشكل جذري، وباستخدام مواد مثل الماء وثاني أكسيد الكربون، يُمكن استغلال هذه التغيرات في السلوك لاستخلاص كفاءة ديناميكية حرارية أكبر من المحرك الحراري، حتى لو كان يستخدم دورة برايتون أو رانكين التقليدية. يُعد ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج مادة حديثة وواعدة جدًا لمثل هذه التطبيقات _. كما تم النظر في استخدام _ثاني أكسيد الكبريت والزينون في هذه التطبيقات. تشمل عيوب هذه المواد مشاكل التآكل والتلف، والاختلاف في السلوك الكيميائي فوق وتحت النقطة الحرجة، والحاجة إلى ضغوط عالية، والسمية - في حالة ثاني أكسيد الكبريت، وبدرجة أقل في حالة ثاني أكسيد الكربون. من بين المركبات المذكورة، يُعد الزينون الأقل ملاءمة للاستخدام في المفاعل النووي نظرًا لارتفاع مقطع امتصاص النيوترونات لجميع نظائره تقريبًا ، بينما يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون والماء كمهدئ للنيوترونات في مفاعل الطيف الحراري.
3. استغلال الخصائص الكيميائية لسائل التشغيل. يتمثل أحد الأساليب الحديثة والمبتكرة في استخدام سوائل تشغيل غير تقليدية ذات خصائص كيميائية مميزة. ومن هذه السوائل ثاني أكسيد النيتروجين (NO₂ _{) ، وهو} أحد المكونات السامة للضباب الدخاني، والذي يوجد منه ثنائي طبيعي على شكل رباعي أكسيد النيتروجين (N₂O₄ ) _. عند درجة حرارة منخفضة، يُضغط N₂O₄ ثم يُسخن. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تفكك كل _جزيء N₂O₄ إلى جزيئين من NO₂ _. هذا _{يُقلل الوزن} الجزيئي لسائل التشغيل، مما يزيد بشكل كبير من كفاءة الدورة. بمجرد أن يتمدد NO₂ _عبر التوربين، يُبرد بواسطة المشتت الحراري ، مما يجعله يتحد _مرة أخرى ليُشكّل N₂O₄ _. ثم يُعاد ضخ هذا الغاز بواسطة الضاغط لدورة أخرى. وقد دُرست مركبات مثل بروميد الألومنيوم (Al₂Br₆ ₎ وكلوريد النيترو ( NOCl) ويوديد الغاليوم (Ga₂I₆ _{) لاستخدامها في هذه التطبيقات. وحتى الآن ،} لم تبرر عيوبها استخدامها، على الرغم من المكاسب الكبيرة في الكفاءة التي يُمكن تحقيقها. ^{[ 18 ]}

كل عملية هي واحدة مما يلي:

• متساوي الحرارة (عند درجة حرارة ثابتة، يتم الحفاظ عليها بإضافة الحرارة أو إزالتها من مصدر حراري أو مستودع حراري)
• متساوي الضغط (عند ضغط ثابت)
• متساوي القياس/متساوي الحجم (عند حجم ثابت)، ويشار إليه أيضًا باسم متساوي الحجم
• عملية كظيمة (لا تتم إضافة أو إزالة أي حرارة من النظام أثناء العملية الكظيمة)
• عملية متساوية الإنتروبيا (عملية كظيمة قابلة للانعكاس، لا تتم إضافة أو إزالة الحرارة أثناء العملية متساوية الإنتروبيا)

• محرك حراري كارنو
• التوليد المشترك للطاقة
• ثلاجة أينشتاين
• مضخة حرارية
• المحرك الترددي: وصف عام لآلية عمل محركات المكابس
• محرك ستيرلينغ
• دورة الديناميكا الحرارية
• التخليق الحراري
• الجدول الزمني لتكنولوجيا المحركات الحرارية

• 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 الإحصاء الحراري (  الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 0-471-86256-8.
• روبنسون، كلارك (1943). الديناميكا الحرارية للأسلحة النارية . شركة ماكجرو هيل للنشر.