เครื่องยนต์อากาศร้อน^{[ 1 ]} (ในอดีตเรียกว่าเครื่องยนต์อากาศหรือเครื่องยนต์แคลอรี^{[ 2 ]} ) คือเครื่องยนต์ความร้อน ใดๆ ที่ใช้การขยายตัวและการหดตัวของอากาศภายใต้อิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพื่อแปลงพลังงานความร้อนเป็นงานเชิงกลเครื่องยนต์เหล่านี้อาจใช้หลักการของวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกส์ หลายแบบ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์แบบวัฏจักรเปิด เช่นของเซอร์จอร์จ เคย์ลีย์^{[ 3 ]}และจอห์น เอริคสัน^{[ 4 ]}และเครื่องยนต์แบบวัฏจักรปิดของโรเบิร์ต สเตอร์ลิง [ ^{5 ] เครื่องยนต์}อากาศร้อนนั้นแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายในและเครื่องยนต์ไอน้ำที่ เป็นที่รู้จักกันดีกว่า

ในการใช้งานทั่วไป อากาศจะถูกทำให้ร้อนและเย็นซ้ำๆ ในกระบอกสูบและการขยายตัวและการหดตัวที่เกิดขึ้นจะถูกนำมาใช้ในการเคลื่อนลูกสูบและสร้างงานเชิงกลที่ เป็นประโยชน์

คำว่า "เครื่องยนต์อากาศร้อน" นั้น ไม่รวมถึงเครื่องยนต์ใดๆ ที่ทำงานตามวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิกซึ่งของไหลทำงานมีการเปลี่ยนแปลงสถานะเช่นวัฏจักรแรงไคน์นอกจากนี้ยังไม่รวมถึงเครื่องยนต์สันดาปภายใน แบบดั้งเดิม ซึ่งมีการเพิ่มความร้อนให้กับของไหลทำงานโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายในกระบอกสูบ ส่วนเครื่องยนต์แบบเผาไหม้ต่อเนื่อง เช่นReady Motor ของGeorge Brayton และ กังหันก๊าซ ที่เกี่ยวข้อง อาจถือได้ว่าเป็นกรณีที่อยู่ระหว่างขอบเขตของคำนี้

คุณสมบัติการขยายตัวของอากาศร้อนเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ ฮีโรแห่งอเล็กซานเดรียได้ บรรยายถึงอุปกรณ์ Pneumaticaที่อาจใช้ในการเปิดประตูวิหารโดยอัตโนมัติเมื่อจุดไฟบนแท่นบูชา อุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องยนต์อากาศร้อน หรือเรียกง่ายๆ ว่าเครื่องยนต์อากาศได้รับการบันทึกไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1699 ในปี ค.ศ. 1699 กิโยม อามงตงส์ (ค.ศ. 1663–1705) ได้นำเสนอรายงานเกี่ยวกับสิ่งประดิษฐ์ของเขาต่อราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์ในปารีส นั่นคือล้อที่หมุนได้ด้วยความร้อน^{[ 6 ]}ล้อถูกติดตั้งในแนวตั้ง รอบดุมล้อมีห้องที่บรรจุน้ำ ห้องที่บรรจุอากาศบนขอบล้อจะถูกทำให้ร้อนด้วยไฟที่อยู่ใต้ด้านหนึ่งของล้อ อากาศร้อนจะขยายตัวและผ่านท่อ บังคับให้น้ำจากห้องหนึ่งไปยังอีกห้องหนึ่ง ทำให้ล้อเสียสมดุลและหมุน

ดู:

• Amontons (20 มิถุนายน ค.ศ. 1699) "Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines" (หมายถึงการใช้แทนการกระทำของไฟอย่างสะดวกสำหรับพลังของมนุษย์และม้าเพื่อเคลื่อนย้ายเครื่องจักร [เช่น พลัง]), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences , หน้า 112-126. Mémoires ปรากฏในHistoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1732 การดำเนินการของmoulin à feu (โรงดับเพลิง) ของ Amontons มีอธิบายไว้ในหน้า 123-126; เครื่องจักรของเขามีภาพประกอบอยู่บนจานหน้า 126 ต่อไป
• สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับล้อที่ขับเคลื่อนด้วยไฟของ Amontons ในภาษาอังกฤษ โปรดดูที่: Robert Stuart, Historical and Descriptive Anecdotes of Steam-engines and of Their Inventors and Improvers (London, England: Wightman and Cramp, 1829), เล่ม 1, หน้า 130-132 ; ภาพประกอบของเครื่องจักรปรากฏบน^{[ 7 ]}ในช่วงเวลาที่กฎของก๊าซถูกกำหนดขึ้นเป็นครั้งแรก และสิทธิบัตรยุคแรกๆ ได้แก่ สิทธิบัตรของHenry Wood , Vicar of High Ercall ใกล้Coalbrookdale Shropshire (สิทธิบัตรอังกฤษ 739 ปี 1759) และ Thomas Meadวิศวกรจาก Sculcoats Yorkshire (สิทธิบัตรอังกฤษ 979 ปี 1791) ^{[ 8 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิทธิบัตรหลังนี้มีองค์ประกอบที่จำเป็นของ เครื่องยนต์ประเภท ดิสเพลเซอร์ (Mead เรียกมันว่าตัวถ่ายโอน) ไม่น่าเป็นไปได้ที่สิทธิบัตรใดสิทธิบัตรหนึ่งเหล่านี้จะส่งผลให้เกิดเครื่องยนต์จริง และตัวอย่างที่ใช้งานได้จริงที่เก่าแก่ที่สุดน่าจะเป็น เครื่องยนต์แก๊ส เตาเผา แบบวงจรเปิด ของนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษเซอร์ จอร์จ เคย์ลีย์ประมาณปี ค.ศ. 1807 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

เป็นไปได้ว่าเครื่องยนต์อากาศของโรเบิร์ต สเตอร์ลิง ในปี พ.ศ. 2461 ซึ่งรวมเอา Economiser ที่เป็นนวัตกรรมของเขา (จดสิทธิบัตรในปี พ.ศ. 2459) เข้าไปด้วย เป็นเครื่องยนต์อากาศเครื่องแรกที่นำไปใช้งานจริง^{[ 11 ]} Economiser ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อRegeneratorจะเก็บความร้อนจากส่วนที่ร้อนของเครื่องยนต์ขณะที่อากาศไหลผ่านไปยังด้านที่เย็น และปล่อยความร้อนให้กับอากาศที่เย็นลงขณะที่มันกลับไปยังด้านที่ร้อน นวัตกรรมนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ของสเตอร์ลิง และควรมีอยู่ในเครื่องยนต์อากาศทุกเครื่องที่เรียกอย่างถูกต้องว่าเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

ในปี 1827 สเตอร์ลิงและเจมส์ น้องชายของเขา ได้จดสิทธิบัตรเครื่องยนต์อากาศร้อนเครื่องที่สอง โดยพวกเขาได้ปรับเปลี่ยนการออกแบบเพื่อให้ปลายร้อนของตัวขับเคลื่อนอยู่ใต้ตัวเครื่อง และเพิ่มปั๊มลมเพื่อเพิ่มความดันอากาศภายในให้สูงถึงประมาณ 20 บรรยากาศ แชมเบอร์สระบุว่าเครื่องยนต์ดังกล่าวไม่ประสบความสำเร็จ เนื่องจากข้อบกพร่องทางกลไกและ “การสะสมความร้อนที่ไม่คาดคิด ซึ่งไม่ถูกดึงออกไปอย่างสมบูรณ์โดยตะแกรงหรือช่องเล็กๆ ในส่วนที่เย็นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งพื้นผิวด้านนอกมีขนาดไม่ใหญ่พอที่จะระบายความร้อนส่วนเกินออกไปได้เมื่อเครื่องยนต์ทำงานด้วยอากาศอัดสูง”

พาร์กินสันและครอสลีย์ ผู้ได้รับสิทธิบัตรชาวอังกฤษในปี 1828 ได้คิดค้นเครื่องยนต์อากาศร้อนของตนเองขึ้นมา ในเครื่องยนต์นี้ ห้องอากาศจะถูกจุ่มลงในน้ำเย็นบางส่วนเพื่อให้สัมผัสกับความเย็นภายนอก และส่วนบนของห้องอากาศจะถูกทำให้ร้อนด้วยไอน้ำ ภาชนะภายในจะเคลื่อนที่ขึ้นลงในห้องอากาศนี้ และการเคลื่อนที่นั้นจะทำให้เกิดการแทนที่อากาศ สลับกันสัมผัสกับอิทธิพลร้อนและเย็นของน้ำเย็นและไอน้ำร้อน ทำให้เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและสภาวะการขยายตัวของอากาศ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้ลูกสูบในกระบอกสูบซึ่งปลายทั้งสองข้างเชื่อมต่อกับห้องอากาศเคลื่อนที่ไปมา

ในปี ค.ศ. 1829 อาร์นอตต์ได้จดสิทธิบัตรเครื่องขยายอากาศของเขา โดยวางไฟไว้บนตะแกรงใกล้กับก้นกระบอกสูบปิดสนิท และกระบอกสูบนั้นเต็มไปด้วยอากาศบริสุทธิ์ที่เพิ่งเติมเข้าไป ลูกสูบที่หลวมจะถูกดึงขึ้นด้านบน เพื่อให้อากาศทั้งหมดในกระบอกสูบด้านบนไหลผ่านท่อไปผ่านเปลวไฟ และจะได้รับความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้น ซึ่งมีแนวโน้มที่จะขยายตัวหรือเพิ่มปริมาตร ซึ่งเป็นสิ่งที่เปลวไฟสามารถให้ได้

ในปีต่อมา (1830) กัปตันเอริคสันได้จดสิทธิบัตรเครื่องยนต์อากาศร้อนเครื่องที่สองของเขา โดยรายละเอียดของเครื่องนั้นระบุไว้อย่างชัดเจนว่า ประกอบด้วย “ห้องทรงกลม ซึ่งมีกรวยหมุนอยู่บนเพลาหรือแกนโดยใช้แผ่นหรือปีกที่สัมผัสกับแรงดันไอน้ำสลับกันไป แผ่นหรือปีกเหล่านี้ทำงานผ่านช่องหรือรูของระนาบทรงกลม ซึ่งหมุนเฉียงไปด้านข้างของกรวยและสัมผัสกับด้านข้างของกรวยอยู่เสมอ”

เอริคสันสร้างเครื่องยนต์อากาศร้อนเครื่องที่สาม (เครื่องยนต์แคลอรี) ในปี ค.ศ. 1833 "ซึ่งสร้างความสนใจอย่างมากในอังกฤษเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา และหากสามารถนำไปใช้งานจริงได้ จะพิสูจน์ได้ว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์เชิงกลที่สำคัญที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยคิดค้นมา และจะนำมาซึ่งประโยชน์ต่อชีวิตอารยธรรมมากกว่าสิ่งใดๆ ที่เคยมีมาก่อน เพราะจุดประสงค์ของมันคือการผลิตพลังงานเชิงกลโดยใช้ความร้อน โดยใช้เชื้อเพลิงน้อยมาก จนมนุษย์จะมีพลังงานเชิงกลที่แทบจะไม่มีขีดจำกัดอยู่ในมือ ในภูมิภาคที่ปัจจุบันอาจกล่าวได้ว่าหาเชื้อเพลิงได้ยาก"

ในปี ค.ศ. 1838 มีการจดสิทธิบัตรเครื่องยนต์อากาศร้อนของฟรานชอต ซึ่งถือเป็นเครื่องยนต์อากาศร้อนที่ตรงตามข้อกำหนดของคาร์โนต์ได้ดีที่สุด

จนถึงปัจจุบัน เครื่องยนต์อากาศทั้งหมดเหล่านี้ยังไม่ประสบความสำเร็จ แต่เทคโนโลยีก็กำลังพัฒนาขึ้น ในปี 1842 เจมส์ สเตอร์ลิง น้องชายของโรเบิร์ต สเตอร์ลิง ได้สร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแห่งดันดีอันโด่งดังขึ้นมา เครื่องยนต์นี้ใช้งานได้นานอย่างน้อย 2-3 ปี แต่ก็ต้องยุติการใช้งานเนื่องจากข้อบกพร่องทางเทคนิค เครื่องยนต์อากาศร้อนเป็นเรื่องราวของการลองผิดลองถูก และต้องใช้เวลาอีก 20 ปี กว่าที่เครื่องยนต์อากาศร้อนจะสามารถนำมาใช้ในระดับอุตสาหกรรมได้ เครื่องยนต์อากาศร้อนที่เชื่อถือได้เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นโดย Shaw, Roper, Ericsson โดยมีการสร้างขึ้นมาหลายพันเครื่อง

เครื่องยนต์ความร้อนสูงพบตลาดสำหรับการสูบน้ำ (ส่วนใหญ่สูบน้ำไปถังเก็บน้ำในครัวเรือน) เนื่องจากน้ำที่ไหลเข้าให้ความเย็นที่จำเป็นในการรักษาระดับอุณหภูมิให้คงที่ นอกจากนี้ยังมีการใช้งานในด้านเชิงพาณิชย์อื่นๆ อีกด้วย

• Hayward, Tyler & Co แห่งลอนดอน เครื่องจักรสำหรับสูบน้ำและใช้งาน punkahs ประมาณปี 1876-1883 ^{[ 12 ]}
• Louis Heinrici , Mechanische Werkstätten für Präzisionsarbeiten, Zwickau ใน Sachsen. พ.ศ. 2427-
• บริษัท Hayward-Tyler & Co แห่งลอนดอน ระบบประปาภายในบ้าน (สิทธิบัตรของ Rider) ประมาณปี 1888-1901 ^{[ 13 ]}
• WH Bailey & Co, Salford. เครื่องยนต์สำหรับสูบน้ำใช้ในครัวเรือนและใช้งานเครื่องจักรในคอกม้าประมาณปี 1885-1887 ^{[ 14 ]}
• Adam Woodward & Sons, Ancoats, Manchester. สิทธิบัตรของ Robinson ประมาณปี 1887 ^{[ 15 ]}
• Norris & Henty, London. ตัวแทนจำหน่ายเครื่องสูบน้ำแบบ 'Robinson' ประมาณปี 1898-1901 ^{[ 16 ]}
• บริษัท ซีเอช เดลาแมเตอร์แอนด์ โค, โรงงานเหล็กเดลาแมเตอร์, นิวยอร์ก เครื่องยนต์แบบ 'ไรเดอร์' และ 'เอริคสัน' ช่วงปี ค.ศ. 1870-1898
• บริษัท Rider Engine Company, วอลเดน, นิวยอร์ก. 1879-1898
• บริษัทผลิตเครื่องยนต์ Rider-Ericssonเมืองวอลเดน รัฐนิวยอร์ก ค.ศ. 1898-

วัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิกของเครื่องยนต์อากาศร้อน(ในอุดมคติ) สามารถประกอบขึ้นจากกระบวนการ 3 กระบวนการขึ้นไป (โดยทั่วไป 4 กระบวนการ) กระบวนการเหล่านั้นอาจเป็นกระบวนการใดกระบวนการหนึ่งต่อไปนี้:

• กระบวนการไอโซเทอร์มอล (ที่อุณหภูมิคงที่ โดยรักษาอุณหภูมิไว้ด้วยการเพิ่มหรือลดความร้อนจากแหล่งความร้อนหรือตัวระบายความร้อน)
• กระบวนการความดันคงที่ (ที่ความดันคงที่)
• กระบวนการไอโซเมตริก/ไอโซโคริก (ที่ปริมาตรคงที่)
• กระบวนการอะเดียแบติก (ไม่มีการเพิ่มหรือลดความร้อนจากของเหลวที่ใช้ในการทำงาน)
  • กระบวนการไอเซนโทรปิกกระบวนการอะเดียแบติกแบบผันกลับได้ (ไม่มีการเพิ่มหรือลดความร้อนจากสารทำงาน และเอนโทรปีคงที่)
• กระบวนการไอเซนทัลปิก ( เอนทัลปีคงที่)

ตัวอย่างบางส่วน (ไม่ใช่ทุกวงจรลมร้อนตามที่นิยามไว้ข้างต้น) มีดังต่อไปนี้:

อีกตัวอย่างหนึ่งคือ^วงจร Vuilleumier ^{[ 17} ]

• เครื่องยนต์สเตอร์ลิง
• เครื่องยนต์ความร้อนเทอร์โมอะคูสติก
• เครื่องยนต์แมนสัน-ไกส์
• เครื่องยนต์สุญญากาศ
• เครื่องยนต์ความร้อนคาร์โนต์
• ลำดับเหตุการณ์ของเทคโนโลยีเครื่องยนต์ความร้อน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์อากาศร้อน

วิกิซอร์ซมีเนื้อหาจาก บทความ สารานุกรมบริแทนนิกาค.ศ. 1911เรื่อง " เครื่องยนต์ลม "

• บทนำเกี่ยวกับเครื่องจักรวัฏจักรสเตอร์ลิง
• ผู้บุกเบิกด้านการออกแบบเครื่องยนต์อากาศ (เลือกชีวประวัติที่ต้องการ)
• อุปกรณ์สำหรับวิธีการแยกความร้อนสิทธิบัตรของ Vuilleumier
• การศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับเครื่องยนต์อากาศร้อนในศตวรรษที่ 19