熱機(jī)效率提高效率

熱機(jī)的效率是熱機(jī)問世以來科學(xué)家、發(fā)明家和工程師們一直研究的重要問題。內(nèi)燃機(jī)和噴氣機(jī)跟最初的蒸汽機(jī)相比，效率雖然提高了很多，但從節(jié)約能源的要求來看，熱機(jī)的效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿意。最好的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在比較理想的情況下其效率也只有60%。用的最廣的內(nèi)燃機(jī)，其效率最多只達(dá)到40%。大部分能量被浪費(fèi)掉了。

1.保證活塞滑動(dòng)靈活，并且密封性好

2.保證噴頭無損，噴霧均勻

3.連桿轉(zhuǎn)軸等處摩擦小

4.使用合適的燃料

5.對(duì)于不可避免的熱能損失，可以用來加熱水等其他用途 2100433B

蒸汽機(jī)百分之4~百分之8

蒸汽輪機(jī)百分之25~百分之30

燃?xì)廨啓C(jī) 百分之50~百分之60

汽油機(jī)百分之26~百分之45

柴油機(jī) 百分之34~百分之45

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)百分之50~百分之60

熱機(jī)效率定義

轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃扛剂先紵龝r(shí)放出的熱量的比叫做熱機(jī)的效率，也叫熱機(jī)的有效效率。通常用百分?jǐn)?shù)來表示。

熱機(jī)效率說明

①凡是能夠利用燃料燃燒時(shí)放出的能來做機(jī)械功的機(jī)器就叫做熱機(jī)。

②熱機(jī)在工作過程中，發(fā)熱器(高溫?zé)嵩?里的燃料燃燒時(shí)放出的熱量并沒有全部被工作物質(zhì)(工質(zhì))所吸收，而工質(zhì)從發(fā)熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器(低溫?zé)嵩?。工質(zhì)所作的機(jī)械功中還有一部分因克服機(jī)件摩擦而損失。根據(jù)熱機(jī)的工作特點(diǎn)，下面對(duì)熱機(jī)中熱量的利用和損耗情況作說明。

以蒸汽輪機(jī)為例，蒸汽對(duì)汽輪膨脹做功的同時(shí)，汽輪對(duì)蒸汽產(chǎn)生一個(gè)反作用力使其壓縮，不能完全做功，由于這對(duì)作用力大小相等，且壓縮的膨脹能又等于蒸汽冷卻釋放的熱量，即w脹=w縮=q放，也就是說這三者各占總能量的三分之一，這就是蒸汽輪機(jī)效率只有30%的原因，也是熱電廠只有60%的原因，而壓縮的30%的能量白白釋放掉了。

設(shè)想有一種彈性流體，例如大氣，封閉在裝有活動(dòng)隔板或活塞cd的圓柱形容器abcd中。

1.將A與容器 abcd中的空氣或與容器之壁接觸，假設(shè)此壁是熱質(zhì)的良導(dǎo)體。由于這一接觸，空氣得到與A相同的溫度。cd為活塞所處的位置。

2.活塞逐漸上升，直至取得ef的位置。保持空氣與A接觸，因此在空氣稀釋的過程中溫度保持恒定，物體A提供了保持恒溫所需的熱質(zhì)。

3.移開物體A，空氣不再與任何能夠提供熱質(zhì)的物體接觸，但活塞仍繼續(xù)移動(dòng)，從位置ef達(dá)到位置gh，空氣未獲任何熱質(zhì)而稀釋，它的溫度下降了。假設(shè)下降到和物體B的溫度相等，這時(shí)活塞停止運(yùn)動(dòng)，占有位置gh。

4.將空氣與物體B接觸，活塞壓縮空氣由位置gh回復(fù)到cd。但由于仍與B接觸，空氣保持恒溫，并將熱質(zhì)交給物體B。

5.移開物體B，繼續(xù)壓縮空氣。由于空氣這時(shí)已被隔絕，溫度上升。壓縮一直繼續(xù)到空氣達(dá)到A的溫度?；钊诖似陂g從位置cd到了位置ik。

6.空氣再與 A接觸，活塞從位置ik回到位置 ef，溫度保持不變。

7.再重新進(jìn)行（3）中的步驟，以后相繼經(jīng)4、5、6、3、4、5、6、3、4、5……?！?/p>

是指熱機(jī)工作部分中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量和工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量的比。如果用ηt表示，則有ηt=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q2/ Q1。

從式中很明顯地看出Q1越大，Q2越小，熱效率越高，這是熱機(jī)效率中的主要部分，它表明了熱機(jī)中熱量的利用程度。

熱機(jī)的機(jī)械效率是指推動(dòng)機(jī)軸做功所需的熱量和熱機(jī)工作過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量的比，如果用ηm表示，則有ηm=Q3/(Q1-Q2)等。

熱機(jī)效率公式應(yīng)為η=Q有/Q放×100%

是指工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量和燃料燃燒時(shí)放出熱量的比。如果用ηC表示，燃料燃燒效率可寫成ηC=Q1/Q。

卡諾效率（Carnot Efficiency） = 1－

Tc 代表卡諾熱機(jī)低溫端（環(huán)境）的絕對(duì)溫度值、Th 代表熱機(jī)高溫端工質(zhì)(氣體)的絕對(duì)溫度值；由此計(jì)算得知：假如高溫端工質(zhì)絕對(duì)溫度Th在1000K（727℃）、低溫端（環(huán)境）絕對(duì)溫度Tc在300K（27℃）時(shí)，卡諾熱機(jī)的最大熱功轉(zhuǎn)換效率是1-Tc/Th=70%

卡諾選取的理想循環(huán)是由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的；等溫膨脹時(shí)吸熱，等溫壓縮時(shí)放熱，空氣經(jīng)過一個(gè)循環(huán)，可以對(duì)外作功。

卡諾由這個(gè)循環(huán)出發(fā)，提出了一個(gè)普遍的命題：“熱的動(dòng)力與用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的工作物質(zhì)無關(guān)；動(dòng)力的量只取決于熱質(zhì)在其間轉(zhuǎn)移的兩物體的溫度?！?/p>

卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒的假設(shè)和永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，經(jīng)過邏輯推理，證明他的理想循環(huán)獲得了最高的效率。他寫道：“如果有任何一種使用熱的方法，優(yōu)于我們所使用的，即如有可能用任何一種過程，使熱質(zhì)比上述操作順序產(chǎn)生更多的動(dòng)力，那就有可能使動(dòng)力的一部分轉(zhuǎn)化于使熱質(zhì)從物體B送回到物體A，即從冷凝器回到熱源，于是就可以使?fàn)顟B(tài)復(fù)原，重新開始第一道操作及其后的步驟，這就不僅造成了永恒運(yùn)動(dòng)，甚至還可以無限地創(chuàng)造出動(dòng)力而不消耗熱質(zhì)或任何其他工作物質(zhì)。這樣的創(chuàng)造與公認(rèn)的思想，與力學(xué)定律以及與正常的物理學(xué)完全矛盾，因而是不可取的。所以由此可得結(jié)論：用蒸汽獲得的最大動(dòng)力也是用任何其他手段得到的最大動(dòng)力。”

這就是卡諾定理的最初表述。用現(xiàn)代詞匯來講就是：熱機(jī)必須工作在兩個(gè)熱源之間，熱機(jī)的效率僅僅決定于兩個(gè)熱源的溫度差，而與工作物質(zhì)無關(guān)，在兩個(gè)固定熱源之間工作的所有熱機(jī)，以可逆機(jī)效率最高。

不過，由于卡諾信奉熱質(zhì)說，他的結(jié)論包含有不正確的成份。例如：他將蒸汽機(jī)比擬為水輪機(jī)，熱質(zhì)比擬為流水，熱質(zhì)從高溫流向低溫，總量不變。他寫道：“我們可以足夠確切地把熱的動(dòng)力比之于瀑布。瀑布的動(dòng)力取決于其高度和液體的量；而熱的動(dòng)力則取決于所用熱質(zhì)的量以及熱質(zhì)的‘下落高度’，即交換熱質(zhì)的兩物體之間的溫度差?！?/p>

卡諾就這樣把熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移和機(jī)械功聯(lián)系了起來。由于他缺乏熱功轉(zhuǎn)化的思想，因此，對(duì)于熱力學(xué)第二定律，“他差不多已經(jīng)探究到問題的底蘊(yùn)。阻礙他完全解決這個(gè)問題的，并不是事實(shí)材料的不足，而只是一個(gè)先入為主的錯(cuò)誤理論?！保ǘ鞲袼梗骸蹲匀晦q證法》）

卡諾在1832年6月先得了猩紅熱和腦膜炎8月24日又患流行性霍亂去世，年僅36歲。上節(jié)所述的他遺留下的手稿表明他后來也轉(zhuǎn)向了熱的唯動(dòng)說，并預(yù)言了熱功之間的當(dāng)量關(guān)系和熱的分子運(yùn)動(dòng)論?？上?，手稿直至1878年才發(fā)表，因而對(duì)熱學(xué)的發(fā)展沒有起到應(yīng)有的作用。

法國(guó)數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家薩迪·卡諾的父親拉札爾·卡諾（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了這類問題，在他的著作中討論了各種機(jī)械的效率，隱諱地提出這樣一個(gè)觀念：設(shè)計(jì)低劣的機(jī)器往往有“丟失”或“浪費(fèi)”。當(dāng)時(shí)，在水力學(xué)中有一條卡諾原理，就是拉札爾·卡諾提出的，說的是效率最大的條件是傳送動(dòng)力時(shí)不出現(xiàn)振動(dòng)和湍流，這實(shí)際上反映了能量守恒的普遍規(guī)律。他的研究對(duì)他的兒子有深刻影響。

1824年薩迪·卡諾發(fā)表了著名論文《關(guān)于火的動(dòng)力及適于發(fā)展這一動(dòng)力的機(jī)器的思考》，提出了在熱機(jī)理論中有重要地位的卡諾定理，這個(gè)定理后來成了熱力學(xué)第二定律的先導(dǎo)。他寫道①：

“為了以最普遍的形式來考慮熱產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原理，就必須撇開任何的機(jī)構(gòu)或任何特殊的工作物質(zhì)來進(jìn)行考慮，就必須不僅建立蒸汽機(jī)原理，而且要建立所有假想的熱機(jī)的原理，不論在這種熱機(jī)里用的是什么工作物質(zhì)，也不論以什么方法來運(yùn)轉(zhuǎn)它們?！?/p>

卡諾取最普遍的形式進(jìn)行研究的方法，充分體現(xiàn)了熱力學(xué)的精髓。他撇開一切次要因素，徑直選取一個(gè)理想循環(huán)，由此建立熱量和其轉(zhuǎn)移過程中所作功之間的理論聯(lián)系。

他首先作了如下假設(shè)：“設(shè)想兩個(gè)物體A與B，各保持于恒溫，A的溫度高于B；兩者不論取出熱或獲得熱，均不引起溫度變化，其作用就象是兩個(gè)無限大的熱質(zhì)之庫。我們稱A為熱源，稱B為冷凝器?！?/p>