在熱力學和工程學中，熱機是一種將熱能轉化為機械能的系統，然后可以用來做機械功。它通過將工作物質從較高的狀態溫度帶到較低的狀態溫度來做到這一點。熱源產生熱能，使工作物質達到更高的溫度狀態。工作物質在發動機的工作體中產生功，同時將熱量傳遞給較冷的水槽，直到達到較低的溫度狀態。在這個過程中，一些熱能通過利用工作物質的特性轉化為功。工作物質可以是任何具有非零熱容量的系統，但通常是氣體或液體。在此過程中，一些熱量通常會散失到周圍環境中，并且不會轉化為功。還，通常，發動機是將能量轉換為機械功的任何機器。熱機與其他類型的發動機的區別在于它們的效率從根本上受到卡諾定理的限制。盡管這種效率限制可能是一個缺點，但熱力發動機的一個優點是大多數形式的能量可以通過放熱反應（如燃燒）、核裂變、光或高能粒子的吸收、摩擦、耗散等過程輕松轉化為熱量和抵抗。由于向發動機提供熱能的熱源因此可以由幾乎任何種類的能量提供動力，因此熱力發動機的應用范圍很廣。熱機經常與他們試圖實施的循環混淆。通常，術語引擎用于模型的物理設備和循環。

在熱力學中，熱機通常使用標準工程模型（例如奧托循環）進行建模。理論模型可以使用來自運行引擎的實際數據進行改進和擴充，使用指標圖等工具。由于很少有熱機的實際實現與其潛在的熱力循環完全匹配，因此可以說熱力循環是機械發動機的理想情況。無論如何，要充分了解發動機及其效率，需要對（可能簡化或理想化的）理論模型、實際機械發動機的實際細微差別以及兩者之間的差異有很好的理解。一般而言，熱源和冷源之間的溫差越大，循環的潛在熱效率就越大。在地球上，任何熱機的冷側都被限制在接近環境的環境溫度，或者不會低于300開爾文，因此提高各種熱機熱力學效率的大部分努力都集中在提高環境溫度上。來源，在物質限度內。熱機的xxx理論效率（沒有任何發動機能夠達到）等于熱端和冷端之間的溫差除以熱端的溫度，每個都以xxx溫度表示。今天提出或使用的各種熱機的效率范圍很大：

• 3%（97%的廢熱使用劣質熱能）用于海洋熱能轉換(OTEC)海洋發電提案
• 大多數汽車汽油發動機為25%
• 49%用于超臨界燃煤發電站，例如Aved?re發電站
• 60%用于聯合循環燃氣輪機

這些過程的效率大致與它們的溫度下降成正比。輔助設備（例如泵）可能會消耗大量能源，這會有效降低效率。

值得注意的是，盡管某些循環具有典型的燃燒位置（內部或外部），但它們通常可以與另一個循環一起實施。例如，JohnEricsson開發了一種外部加熱發動機，其運行的循環與早期的柴油循環非常相似。此外，外部加熱的發動機通常可以在開式或閉式循環中實施。在閉式循環中，工作流體在循環完成時保留在發動機內，而在開式循環中，在內燃機的情況下，工作流體或者與燃燒產物一起與環境交換，或者簡單地排放到蒸汽機和渦輪機等外燃發動機的環境。

熱機的日常例子包括火力發電站、內燃機、火器、冰箱和熱泵。發電站是正向運行的熱力發動機的示例，其中熱量從熱儲器流出并流入冷儲器以產生所需產品的功。冰箱、空調和熱泵是逆向運行的熱機的例子，即它們利用功在低溫下吸收熱能并以比簡單的功轉化為熱更有效的方式提高溫度（通過摩擦或電阻）。冰箱在低溫下從熱密封室內帶走熱量，并將高溫下的廢熱排放到環境中，熱泵從低溫環境中吸收熱量并“排放”通常，熱機利用與根據氣體定律的氣體膨脹和壓縮相關的熱特性或與氣態和液態之間的相變相關的特性。

地球的大氣和水圈——地球的熱力發動機——是耦合過程，在向全球分配熱量時，通過地表水的蒸發、對流、降雨、風和海洋環流，不斷消除太陽加熱的不平衡。哈德利電池是熱機的一個例子。它涉及地球赤道地區暖濕空氣的上升和亞熱帶地區較冷空氣的下降，形成熱驅動的直接循環，從而產生動能的凈生產。

在這些循環和發動機中，工作流體是氣體和液體。發動機將工作流體從氣體轉化為液體，從液體轉化為氣體，或兩者兼而有之，通過流體膨脹或壓縮產生功。

• 朗肯循環（經典蒸汽機）
• 再生循環（蒸汽機比朗肯循環更有效）
• 有機朗肯循環（冰和熱液態水溫度范圍內的冷卻劑變化階段）
• 汽液循環（飲水鳥、噴油器、明托輪）
• 液體到固體的循環（霜隆起-水從冰變成液體然后再變回來可以將巖石提升到60厘米。）
• 固體氣體循環（槍支-固體推進劑燃燒成熱氣體。）

在這些循環和發動機中，工作流體始終是氣體（即沒有相變）：

• 卡諾循環（卡諾熱機）
• 愛立信循環（熱量船約翰愛立信）
• 斯特林循環（斯特林發動機、熱聲裝置）
• 內燃機（ICE）：
  • 奧托循環（例如汽油/汽油發動機）
  • 柴油循環（例如柴油發動機）
  • 阿特金森循環（阿特金森發動機）
  • 布雷頓循環或焦耳循環最初是愛立信循環（燃氣輪機）
  • 雷諾循環（例如，脈沖噴氣發動機）
  • 米勒循環（米勒發動機）

在這些循環和發動機中，工作流體總是像液體：

• 斯特林循環（馬龍發動機）
• 熱再生旋風分離器

• 約翰遜熱電轉換器
• 熱電（珀爾帖-塞貝克效應）
• 熱原電池
• 熱離子發射
• 熱隧道冷卻

• 熱磁電機（特斯拉）

家用冰箱是熱泵的一個例子：一個反向的熱機。功用于產生熱差。許多循環可以反向運行，將熱量從冷端轉移到熱端，使冷端更冷，熱端更熱。這些循環的內燃機版本就其性質而言是不可逆的。制冷循環包括：

• 空氣循環機
• 氣體吸收式冰箱
• 磁制冷
• 斯特林制冷機
• 蒸汽壓縮制冷
• 維勒米耶循環

Barton蒸發發動機是一種基于循環產生動力和冷卻濕空氣的熱機，水蒸發成干熱空氣。

介觀熱機是納米級設備，可用于處理熱通量并在小范圍內執行有用的工作。潛在的應用包括例如電冷卻裝置。在這樣的細觀熱機中，每個操作周期的功因熱噪聲而波動。任何熱機所做功的指數的平均值與來自較熱熱浴的熱傳遞之間存在精確的等式。這種關系將卡諾不等式轉化為精確等式。這個關系也是一個卡諾循環等式

熱機的效率與給定量的熱能輸入輸出多少有用功有關。xxx效率背后的原因如下。首先假設如果比卡諾發動機更高效的熱機是可能的，那么它可以作為熱泵反向驅動。數學分析可以用來表明這種假設的組合會導致熵的凈減少。由于根據熱力學第二定律，這在統計上是不可能排除的，因此卡諾效率是任何熱力學循環的可靠效率的理論上限。根據經驗，沒有任何熱機能以比卡諾循環熱機更高的效率運行。圖2和圖3顯示了卡諾循環效率隨溫度的變化。圖2顯示了對于恒定的壓縮機入口溫度，效率如何隨著加熱溫度的升高而變化。圖3顯示了在渦輪入口溫度恒定的情況下，效率如何隨著排熱溫度的增加而變化。

就其本質而言，任何最有效的卡諾循環都必須在無限小的溫度梯度下運行；這是因為兩個溫度不同的物體之間的任何熱傳遞都是不可逆的，因此卡諾效率表達式僅適用于無窮小極限。主要問題是大多數熱機的目標是輸出功率，很少需要無窮小的功率。對理想熱機效率的不同測量是通過考慮內可逆熱力學給出的，其中系統被分解為可逆子系統，但它們之間存在不可逆的相互作用。

熱機自古以來就為人所知，但直到18世紀工業xxx時期才被制成有用的設備。他們今天繼續發展。

工程師們研究了各種熱機循環，以提高他們可以從給定電源中提取的可用功。任何基于氣體的循環都無法達到卡諾循環限制，但工程師們發現至少有兩種方法可以繞過該限制，一種方法可以在不改變任何規則的情況下獲得更高的效率：

• 增加熱機中的溫差。最簡單的方法是提高熱側溫度，這是現代聯合循環燃氣輪機中使用的方法。不幸的是，物理限制（例如用于制造發動機的材料的熔點）和有關NOx產生的環境問題（如果熱源與環境空氣一起燃燒）限制了可工作熱力發動機的最高溫度。現代燃氣輪機在保持可接受的NOx輸出所需的溫度范圍內盡可能高的溫度下運行。另一種提高效率的方法是降低輸出溫度。這樣做的一種新方法是使用混合的化學工作流體，然后利用混合物的變化行為。其中最著名的就是所謂的Kalina循環，它使用氨和水的70/30混合物作為其工作流體。這種混合物允許循環在比大多數其他過程低得多的溫度下產生有用的能量。

• 利用工作流體的物理特性。最常見的此類開采是使用高于臨界點的水（超臨界水）。流體在其臨界點以上的行為發生了根本性的變化，并且對于水和二氧化碳等材料，可以利用這些行為變化從熱機中提取更高的熱力學效率，即使它使用的是相當傳統的Brayton或Rankine循環。用于此類應用的一種更新且非常有前途的材料是超臨界二氧化碳。SO2和氙氣也被考慮用于此類應用。缺點包括腐蝕和侵蝕問題、臨界點上下的不同化學行為、所需的高壓以及-在二氧化硫和較小程度上二氧化碳的情況下-毒性。
• 利用工作流體的化學特性。一個相當新的和新穎的利用是使用具有有利化學性質的奇異工作流體。其中之一是二氧化氮(NO2)，它是煙霧的一種有毒成分，具有天然二聚體，即四氧化二氮(N2O4)。在低溫下，N2O4被壓縮然后加熱。溫度升高導致每個N2O4分裂成兩個NO2分子。這降低了工作流體的分子量，從而xxx提高了循環的效率。一旦NO2通過渦輪膨脹，它就會被散熱器冷卻，從而重新組合成N2O4。然后由壓縮機將其反饋給另一個循環。諸如溴化鋁(Al2Br6)、NOCl和Ga2I6等物質都已針對此類用途進行了研究。迄今為止，

每個過程是以下之一：

• 等溫（在恒定溫度下，通過從熱源或接收器添加或移除熱量來保持）
• 等壓（恒壓）
• 等容/等容（等容），也稱為等容
• 絕熱（在絕熱過程中不會從系統中添加或移除熱量）
• 等熵（可逆絕熱過程，在等熵過程中不添加或去除熱量）