图1  1878年纽约市A&F. Browen公司设计生产的热机：3.4m宽，2.5m高，重达10t

按照新的不使用电动机的设计原理，在仅使用热机的情况下有效地把热能转换为机械能，这种新的设计原理是建立在反复的、不可逆等温和等压热力学自动过程链接的基础之上。

热机是一种周期性工作的、把热能转换为机械能的热力学机械设备。自1650年Otto von Guericke令人信服地展示了他所研发设计的、在大气压力环境中工作的热机之后，始终有人不断地尝试着在实际生产过程中使用这样的热机设备。早在1666年时Christian Huygens就想到了利用火药爆炸形成真空，利用空气压力形成的反力做功。七年后，他的学生Denis Papin把这一设想变成了现实，并成功设计出了第一台热机，但这台热机的效率是很低的。

在1878年时，纽约市的A&F. Browen公司尝试制作了一台巨大的机械设备（图1）：长3.4m、宽1.8m、高2.5m，重达10t。在当时的Rixhöft（Westpreußen省）市作为表示天气有雾的信号报警装置这一庞然大物不知疲倦的一直工作到1911年。但这一庞然大物本身也不是十分安静，它的机械式闸板阀工作时所发出的声音非常惊人。

图2  Browen公司设计的热机的工作原理

热机设计的费用很高

热机的工作原理非常简单：将大气环境中的冷空气吸入到圆柱形的气缸中。膨胀后的热空气推动活塞运动，运动后把热空气排出气缸外，随后又开始新的循环。但设计制造的费用却相当可观：需要两个气缸、两个活塞，一个平衡臂和一个飞轮，这些都是机械磨损非常严重的零部件。

但是，风泵和气缸中的工作活塞（1864年）集成到一起，辅助的工作活塞和风泵活塞（1867年/1868年）结合为一个部件等都没有成功地实现（图2）。这些直到现在才在Dr.Hochstrate机床制造公司（在科学家Uwe Femfert博士和Gustav-Adolf Hochstrate博士的领导下）中获得成功，做出了控制阀控制的差动缸（图3）。

图3  现代技术的热机利用控制阀控制的差动缸把冷空气压送到可加热的压力容器中

冷空气被压入可加热的压力容器中，加热了的空气经控制阀控制的管路送至差动缸的端面（有杆侧＝FK），并推动活塞杆运动。同时将气缸无杆侧的冷空气送回到压力容器中去。

在活塞杆的末端有一个轴承，与飞轮轴连接。在活塞杆的推动下飞轮开始旋转，并把活塞杆再次送回到初始位置。在重复过程开始前，加热容器与系统的连接被断开（阀3），与外界大气的连接开启（阀4）。热气溢出（例如在热交换器中），流入的冷空气以环境大气压力（阀1）进入到无杆侧压缩活塞，并支持飞轮继续旋转。

在到达排气位置时，与外界大气连接的管路断开（阀1），至加热容器的管路开启（阀4）。排放到环境大气中的热空气量和吸入环境大气的冷空气量是相适应的。从物理学的角度来看，这一过程中不可逆转的稳定状态与热力学平衡有很大的差距。吸入的较小的冷空气体积将通过加热容器中的膨胀而达到排出热空气的体积。

排放到环境大气中的热空气既可用于驱动热动力设备也可用于驱动制冷设备。这一过程的转换早已被物理学定理所证实。在现代化技术水平的热机中采用了电磁电路控制的控制阀。这一控制方式的优点是：降低重量，开关控制速度快，控制精度高和节约能源明显。

图4  这一现代化的热机只有0.8m高，1.5m宽，重200kg

这样，当时重达10t、长3.4m、宽1.8m和高2.5m的庞然大物可以被现在功率更高的但只有200kg重、1.5m长、0.5m宽和0.8m高的设备代替（图4）。

老式热机的效率已经达到0.75

电动机满负荷工作时其效率在0.8~0.95之间。老式的热机所达到的机械效率为0.75（Browen公司，1878年）。热机效率的上限受卡诺定理限制，因此新设计的热机没有采用循环过程，相反采用的是反复的不可逆等温和等压热力学自动过程的链接过程；它的工作效率由差动缸的合理性和生成的熵所决定。

差动热机的实际应用还要经过一段相当长的研发时间才能有所收获。这一热机的结构非常简单，但它的热动力学分析却相当复杂。这需要确定许多参数，需要确定各个参数之间许多的相互作用。而重要的是采集工作容量和频率之间的相关系数以及频率单位中熵的生成过程。