熱引擎（Heat engine）

熱引擎（Heat engine）
臺中國立新港藝術高級中學物理科羅伊君老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

熱引擎(Heat engine)或稱熱機是會將內部提供的一部分熱量轉為對外作功的裝置。熱機的工作模式必須經過一封閉的熱力學過程，熱機的種類，比如卡諾熱機、迪塞爾熱機……等等。

就像我們藉由理想氣體來瞭解真實氣體的行為一樣，我們也藉由理想熱機來研究真實的熱機。在理想熱機中，所有的過程都是可逆的，不會因為摩擦或其他因素而損耗掉能量。熱機分為內燃機和外燃機兩種。

卡諾熱機的概念是由 1824 年法國工程師卡諾推出。 熱機的目的是盡量把抽出的能量 $$Q_H$$ 轉換為功。

我們定義熱機的效率 $$\varepsilon=$$ 得到能量 $$/$$ 支出能量 $$=\displaystyle\frac{|W|}{|Q_H|}=\frac{|Q_H|-|Q_C|}{|Q_H|}=1-\frac{|Q_C|}{Q_H}$$，其中 $$Q_H$$ 代表在定溫 $$T_H$$ 的熱庫中吸取的熱能，$$Q_C$$ 代表是放置另一溫度較低 $$T_C$$ 的熱庫的熱能，經推導可得 $$\displaystyle\frac{|Q_H|}{T_H}=\frac{|Q_C|}{T_C}$$ ，因此效率可表示為 $$\varepsilon=\displaystyle 1-\frac{T_C}{T_H}$$，因為 $$T_C<T_H$$，所以卡諾熱機的熱效率必小於 $$1$$，代表從高溫熱庫拿到的能量，只有部分轉換為功，其他的轉入低溫熱庫中，我們盡力將放置於較低 $$T_C$$ 的熱庫的熱能降低以提高熱機的效率，也就是將高溫熱庫拿到的能量盡量轉換為功。

事實上，如汽車的引擎效率不高的瓶頸在於引擎材料的熔點不夠高，限制了運轉溫度，因此若我們可以提高材料的溫度，引擎的運轉效率會大大提高。

至於理想熱機，即高溫熱庫拿到的能量可百分之百轉換為功的想法只是理想化，因為從這個公式我們可以看出，要得到 $$100\%$$ 的效率，低溫熱源需要在絕對零度 $$(T_C=0)$$ 時，或者高溫熱源溫度無限大 $$(T_H\to\infty)$$ 時，熱力學第二定律的另一表示法為：無任一過程可將熱庫吸收的能量完全轉換為功。

參考資料：
1. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, 普通物理，第八版，2009年2月
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_e