열기관, 내연기관

모든 열기관은 고온의 열원에서 열을 흡수하여 역학적인 일을 하고 나서 저온으로 열을 버리게 된다. 기관에서 버려진 열은 재 사용되지 않는다. 내연기관에서는 배기가스나 냉각장치로 열이 버려지고, 증기터빈에서는 사용된 증기와 함께 열이 흘러나가고, 증기는 응축되고 물로 되돌아간다. 계가 순환과정을 겪을 때, 처음과 나중의 내부에너지는 같다. 어떤 순환 과정에서도 열역학 제1법칙에 의해 U2-U1=0=Q-W즉 Q=W 가 성립되어야 한다. 한 순환 과정동안 기관으로 들어온 알짜 열은 기관이 한 알짜 일과 같다. 열기관을 분석할 때, 기관의 작동 재료가 상호작용하는 두 물체를 생각하는 것이 도움이 된다. 그 중 하나는 고온 열 저장체라 불리며 열원을 나타낸다. 이것은 거의 일정한 돈도에서 작동 재료에 많은 열을 준다. 다른 하나는 저온 열 저장체라 불리며 일정하게 낮은 온도에서 기관에서 버려진 많은 열을 흡수한다. 증기 터빈에서 보일러의 불꽃과 뜨거운 기체가 고온 열 저장체이고, 증기를 식혀주고 응축시키는 냉각수와 공기가 저온 열 저장체이다. 고온돠 저온 열 저장체로 보내지는 열량을 각각 Qh와Qc로 표시한다. 열량Q는 열이 작동 재룔로 흘러들어갈 때 양(+)의 값이고, 작동 재료에서 나올 때 음의 값이다. 따라서 열기관에서 Qh는 양(+)이고 Qc는 음(-)이다. 종종  Q와 W의 절대값으로 표시하는 것이 이들 관계를 명확하게 할 수 있다. 열기관 내에서의 에너지 변환을 에너지 흐름 도표로 표시할 수 있다. 기관 자체는 원으로 표시되어 있다. 고온 열 저장체에서 기관으로 전달된 열량Qh는 그림 위쪽에 있는 들어오는 관의 폭에 비례한다. 아래쪽 버리는 관의 폭은 방출되는 열량|Qc|에 비례한다. 그림 우측으로 갈라진 관은 기관에 공급되는 열 중에서 역학적 일 W로 바뀐 양을 나타낸다. 기관이 순환을 계속하면, Qh와 Qc는 한 주기 동안 기관에 흡수되거나 방출된 열량을 나타낸다. 여기서 Qh는 양이고 Qc는 음이다. 한 순환과정당 흡수된 알짜열 Q는 Q=Qh+Qc=|Qh|-|Qc|.로 이상적으로 우리는 Qh를 모두 일로 바꾸기를 바랄 것이다. 이 경우 Qh=W, Qc=0일 것이다. 경험에 의하면 이는 불가능하다. 항상 열의 일부가 낭비되고,  Qc는 영이 아니다. 기관의 열효율(thermal efficiency) e를 e=W/Qh 로 정의한다. 열효율e는 Qh과 그 중에 일로 바뀐 부분의 비이다. 이는 항상 1보다 작다. 열흐름도에 의하면 가장 효율적인 기관은 일을 나타내는 갈라진 관의 폭이 가능한 넓고, 버려진 열을 나타내는 관의 폭이 가능한 좁은 경우이다. e는 두 에너지 양의 분수이므로, 단위가 없는 숫자이다. 물론 W,Qh와 Qc는 모두 같은 단위로 표시해야 한다.

내연기관. 자동차와 다른 기계 장치에서 사용되는 휘발유 기관은 열기관의 한 종류이다. 이의 열효율을 살펴보자. 휘발유 기관의 작동을 표시해놓았다. 처음에 공기와 휘발유의 혼합 기체가 피스톤이 내려가는 동안 실린더의 내부로 흘러들어 간다. 이로써 실린더의 부피가 최소V(피스톤이 가장 위에 있을 때)에서 최대 rV(피스톤이 가장 아래 있을 때)로 증가한다. 여기서 r은 압축비(compression ratio)로 불린다. 자동차 엔진의 경우, 이 값은 보통 8-10이다. 흡입 과정이 끝나면, 압축 과정동안 흡입 밸브가 닫히고 혼합 기체가 단열 과정에 가깝게 부피가 V가 되게 압축된다. 혼합 기체가 점화장치에 의해 폭발되어 뜨거워진 기체가 단열 과정에 가깝게 부피가 다시 rV가 되도록 팽창하면서 피스톤을 밀어내며 일을 한다. 이 과정은 팽창 과정이다. 마지막으로 배기 밸브가 열려서, 연소된 기체를 밀려 나간다(배기과정). 그리고 실린더가 다시 흡입과정을 하게 준비된다. 

오토 순환 과정. 가솔린 기관의 열역학적 모형이 pV도표로 보여진다. 이 모형은 오토순환과정(otto cycle)이라 불린다. 휘발유 공기의 혼합 기체가 점a에서 실린더 내부로 들어간다. 혼합기체는 단열 과정으로 점 b까지 압축되고 폭발한다. 휘발유를 태운Qh가 bc선상에서 계로 더해진다. 그리고 팽창 과정은 점d까지의 단열 팽창이다. 기체는 선 da를 따라서 외부 공기 온도까지 차게 된다. 이 과정 동안 열|Qc|가 방출된다. 실제로는 이 기체가 배기 가스로 내연기관을 떠나고 다시 돌아오지 않는다. 그러나 같은 양의 휘발유와 공기가 들어오므로, 이 과정을 순환 과정으로 간주할 수 있다. 이상화된 순환 과정의 열효율을 계산할 수 있다. 과정 bc와 da는 등적 과정이다. 따라서 열 Qh와 Qc는 온도와 단순하게 연결되어 있다. 

열효율은 이상적인 경우에도 항상 1보다 작다. 열효율은 r을 증가시켜 크게 할 수 있다. 그러나 이는 공기-연료 혼합체의 단열 압축 끝의 온도를 증가시킨다. 만약 온도가 너무 높으면 스파크 플러그가 혼합체를 점화시킨 후 태워지는 대신 혼합체가 저절로 폭발한다. 이는 사전 점화라 하고, 두드리는 소리를 내며 또한 기관을 손상시킨다. 휘발유의 옥탄가는 노킹을 방지하는 정도를 나타낸다. 실제적인 압축율을 고급 휘발유의 경우 약 10이다. 더 높은 비율이 신형 연료에서 이용될 수 있다. 

앞에서 설명한 오토 순환 과정은 매우 이상적인 모형이다. 여기서 연료 혼합 기체가 이상 기체처럼 행동하고, 마찰, 흔들림과 실린더 벽을 통한 열 손실 및 실제 기관의 효율을 떨어뜨리는 다른 효과들은 무시한다. 또 다른 비효율은 불완전 연소게 기인한다. 휘발유를 탄화수소가 H2O와 CO2로 완전히 연소하도록 공기과 섞으면 쉽게 점화되지 않는다. 안정적인 점화를 위해서는 휘발유가 더 많이 섞여야 한다. 결과적으로 불완전 연소는 배기 가스에  CO및 불연소 탄화수소를 만든다. 휘발유에서 얻어진 열은 연소시 나오는 열보다 적다. 그 차이는 낭비되는 것이다. 배기 가스는 공기를 오염시킨다. 실제 휘발유 기관의 효율은 대게 35%이다.