تا حدود 250 سال پیش انرژی مکانیکی مورد نیاز انسان به طور عمده از طریق نیروی ماهیچه ای انسان ها و حیوان ها تامین می شد، امروزه بیشتر این انرژی از طریق ماشین گرمایی به دست می آید. این ماشین ها با ترکیب برخی فرآیندهای ترمودینامیکی، گرمای حاصل از سوخت را به کار روی محیط تبدیل می کنند. از آن جا که این تبدیل انرژی باید دائما انجام شود، طراحی این ماشین ها عموما به این صورت است که دستگاه پس از پیمودن چند فرآیند معین به حالت اولیه ی خود برمی گردد، یعنی این ماشین ها در یک چرخه ی معین کار می کنند و این چرخه در ضمن کار ماشین دائما تکرار می شود.
در ترمودینامیک موتور گرمایی یا ماشین گرمایی به ماشینی گفته میشود که انرژی گرمایی را با استفاده از اختلاف دمای بین یک منبع گرما با دیگری چاه دمای پایین تر به کار مکانیکی تبدیل مینماید. گرما از مسیر موتور گرمایی از منبع دما بالا به چاه دما پایین منتقل میشود در حین این انتقال مقداری از انرژی گرمایی به کار تبدیل میشود. اصول کلی کار این ماشین‌ها بر پایه تشدید حرکت مولکول‌ها در پی گرمایش است.
بسیاری از موتورهای گرمایی بر مبنای چرخه‌های رفت و برگشتی کار میکنند که در آنها یک قطعه متحرک پیستون در محفظه بسته سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد. عامل این حرکت گاز است که یا در داخل خود سیلندر گرم میشود و یا خارج از محفظه سیلندر گرم شده و پس از گرم شدن به داخل سیلندر فرستاده میشود. انبساط این گاز داغ موجب حرکت پیستون میشود. انرژی این حرکت بوسیله مولکول‌های پرانرژی گاز داغ تامین میشود. پس از انبساط گاز که فشار آن پایین آمده گاز دوباره خنک کاری میشود. پس از آن فشار سیل عامل افزایش یافت و از منبع گرما میگیرد و به چرخه ادامه میدهد .حرکات رفتو برگشتی در بسیاری از کاربردها توسط میل لنگ به حرکات چرخشی تبدیل میگردد. لازم به ذکر است برخی از موتورهای گرمایی مانند توربین گاز و بخار بر مبنای سیکل رفت و برگشتی کار نمیکنند و تبادل گرما و کار به در داخل توربین انجام میشود. همه گرما در این دستگاه‌ها نمی‌تواند تبدیل به کار بشود و بنابر این بازده انرژی در آنها همیشه کم‌تر از ۱۰۰٪ است. نیکولا سعدی کارنو، دانشمند فرانسوی، در سال ۱۸۲۵ میلادی فرمولی را ارائه داد که بر پایه آن بیشترین بازده حاصله را می‌توان محاسبه کرد.
توماس نیوکامن تاجر و واعظ انگلیسی بود که اولین موتور بخار برای پمپاژ آب از عمق زمین را در سال 1712 میلادی ساخت. ماشینی که نیوکامن طراحی و تولید کرد به تدریج در سراسر انگلستان و سپس اروپا مورد استفاده قرار گرفت. اختراع او سرآغاز یک تحول بزرگ صنعتی شد. طرز کار ماشین نیوکامن را در دو انیمیشن زیر می بینید.
جیمز وات: ماشین بخار نیوکامن در مدت بیش از 60 سال مهمترین ماشین گرمایی زمان خود بود و تنها در این مدت دچار تغییرات جزئی به منظور افزایش بازدهی شد تا این که جیمز وات مخترع و مهندس اسکاتلندی علاقه مند به بهبودی کارایی این ماشین شد. نسخه کامل شده ی ماشین بخار وات در سال 1778 عرضه شد. مصرف آن تنها یک سوم ماشین بخار نیوکامن بود. طرز کار این ماشین را در انیمیشن زیر مشاهده می کنید.
شامل 11 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود مقاله ماشین های گرمایی