热机效率

物理学概念

热力学定律的发现与提高热机效率的研究有密切关系。蒸汽机虽然在18世纪就已发明，但它从初创到广泛应用，经历了漫长的年月，1765年和1782年，瓦特两次改进蒸汽机的设计，使蒸汽机的应用得到了很大发展，但是效率仍不高。如何进一步提高机器的效率就成了当时工程师和科学家共同关心的问题。

背景介绍

法国数学家和工程学家萨迪·卡诺的父亲拉札尔·卡诺（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了这类问题，在他的著作中讨论了各种机械的效率，隐讳地提出这样一个观念：设计低劣的机器往往有“丢失”或“浪费”。当时，在水力学中有一条卡诺原理，就是拉札尔·卡诺提出的，说的是效率最大的条件是传送动力时不出现振动和湍流，这实际上反映了能量守恒的普遍规律。他的研究对他的儿子有深刻影响。

1824年萨迪·卡诺发表了著名论文《关于火的动力及适于发展这一动力的机器的思考》，提出了在热机理论中有重要地位的卡诺定理，这个定理后来成了热力学第二定律的先导。他写道①：

“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作物质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且要建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作物质，也不论以什么方法来运转它们。”

卡诺取最普遍的形式进行研究的方法，充分体现了热力学的精髓。他撇开一切次要因素，径直选取一个理想循环，由此建立热量和其转移过程中所作功之间的理论联系。

他首先作了如下假设：“设想两个物体A与B，各保持于恒温，A的温度高于B；两者不论取出热或获得热，均不引起温度变化，其作用就象是两个无限大的热质之库。我们称A为热源，称B为冷凝器。”

理想循环

卡诺选取的理想循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成的；等温膨胀时吸热，等温压缩时放热，空气经过一个循环，可以对外作功。

卡诺由这个循环出发，提出了一个普遍的命题：“热的动力与用于实现动力的工作物质无关；动力的量只取决于热质在其间转移的两物体的温度。”

卡诺根据热质守恒的假设和永动机不可能实现的经验总结，经过逻辑推理，证明他的理想循环获得了最高的效率。他写道：“如果有任何一种使用热的方法，优于我们所使用的，即如有可能用任何一种过程，使热质比上述操作顺序产生更多的动力，那就有可能使动力的一部分转化于使热质从物体B送回到物体A，即从冷凝器回到热源，于是就可以使状态复原，重新开始第一道操作及其后的步骤，这就不仅造成了永恒运动，甚至还可以无限地创造出动力而不消耗热质或任何其他工作物质。这样的创造与公认的思想，与力学定律以及与正常的物理学完全矛盾，因而是不可取的。所以由此可得结论：用蒸汽获得的最大动力也是用任何其他手段得到的最大动力。”

这就是卡诺定理的最初表述。用现代词汇来讲就是：热机必须工作在两个热源之间，热机的效率仅仅决定于两个热源的温度差，而与工作物质无关，在两个固定热源之间工作的所有热机，以可逆机效率最高。

不过，由于卡诺信奉热质说，他的结论包含有不正确的成份。例如：他将蒸汽机比拟为水轮机，热质比拟为流水，热质从高温流向低温，总量不变。他写道：“我们可以足够确切地把热的动力比之于瀑布。瀑布的动力取决于其高度和液体的量；而热的动力则取决于所用热质的量以及热质的‘下落高度’，即交换热质的两物体之间的温度差。”

卡诺就这样把热质的转移和机械功联系了起来。由于他缺乏热功转化的思想，因此，对于热力学第二定律，“他差不多已经探究到问题的底蕴。阻碍他完全解决这个问题的，并不是事实材料的不足，而只是一个先入为主的错误理论。”（恩格斯：《自然辩证法》）

卡诺在1832年6月先得了猩红热和脑膜炎8月24日又患流行性霍乱去世，年仅36岁。上节所述的他遗留下的手稿表明他后来也转向了热的唯动说，并预言了热功之间的当量关系和热的分子运动论。可惜，手稿直至1878年才发表，因而对热学的发展没有起到应有的作用。

卡诺循环

卡诺效率（Carnot Efficiency） = 1－

Tc 代表卡诺热机低温端（环境）的绝对温度值、Th 代表热机高温端工质(气体)的绝对温度值；由此计算得知：假如高温端工质绝对温度Th在1000K（727℃）、低温端（环境）绝对温度Tc在300K（27℃）时，卡诺热机的最大热功转换效率是1-Tc/Th=70%

ηC

是指工质从发热器得到的热量和燃料燃烧时放出热量的比。如果用ηC表示，燃料燃烧效率可写成ηC=Q1/Q。

公式

是指热机工作部分中转变为机械功的热量和工质从发热器得到的热量的比。如果用ηt表示，则有ηt=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q2/ Q1。

从式中很明显地看出Q1越大，Q2越小，热效率越高，这是热机效率中的主要部分，它表明了热机中热量的利用程度。

热机的机械效率是指推动机轴做功所需的热量和热机工作过程中转变为机械功的热量的比，如果用ηm表示，则有ηm=Q3/(Q1-Q2)等。

热机效率公式应为η=Q有/Q放×100%

弹性流体试验

设想有一种弹性流体，例如大气，封闭在装有活动隔板或活塞cd的圆柱形容器abcd中。

1.将A与容器 abcd中的空气或与容器之壁接触，假设此壁是热质的良导体。由于这一接触，空气得到与A相同的温度。cd为活塞所处的位置。

2.活塞逐渐上升，直至取得ef的位置。保持空气与A接触，因此在空气稀释的过程中温度保持恒定，物体A提供了保持恒温所需的热质。

3.移开物体A，空气不再与任何能够提供热质的物体接触，但活塞仍继续移动，从位置ef达到位置gh，空气未获任何热质而稀释，它的温度下降了。假设下降到和物体B的温度相等，这时活塞停止运动，占有位置gh。

4.将空气与物体B接触，活塞压缩空气由位置gh回复到cd。但由于仍与B接触，空气保持恒温，并将热质交给物体B。

5.移开物体B，继续压缩空气。由于空气这时已被隔绝，温度上升。压缩一直继续到空气达到A的温度。活塞在此期间从位置cd到了位置ik。

6.空气再与 A接触，活塞从位置ik回到位置 ef，温度保持不变。

7.再重新进行（3）中的步骤，以后相继经4、5、6、3、4、5、6、3、4、5……。”

热机定律

定义

转变为有用功的热量跟燃料燃烧时放出的热量的比叫做热机的效率，也叫热机的有效效率。通常用百分数来表示。

说明

①凡是能够利用燃料燃烧时放出的能来做机械功的机器就叫做热机。

②热机在工作过程中，发热器(高温热源)里的燃料燃烧时放出的热量并没有全部被工作物质(工质)所吸收，而工质从发热器所得到的那部分热量也只有一部分转变为机械功，其余部分随工质排出，传给冷凝器(低温热源)。工质所作的机械功中还有一部分因克服机件摩擦而损失。根据热机的工作特点，下面对热机中热量的利用和损耗情况作说明。

以蒸汽轮机为例，蒸汽对汽轮膨胀做功的同时，汽轮对蒸汽产生一个反作用力使其压缩，不能完全做功，由于这对作用力大小相等，且压缩的膨胀能又等于蒸汽冷却释放的热量，即w胀=w缩=q放，也就是说这三者各占总能量的三分之一，这就是蒸汽轮机效率只有30%的原因，也是热电厂只有60%的原因，而压缩的30%的能量白白释放掉了。

效率数值

蒸汽机百分之4~百分之8

蒸汽轮机百分之25~百分之30

燃气轮机百分之50~百分之60

汽油机百分之26~百分之45

柴油机百分之34~百分之45

喷气发动机百分之50~百分之60

提高效率

热机的效率是热机问世以来科学家、发明家和工程师们一直研究的重要问题。内燃机和喷气机跟最初的蒸汽机相比，效率虽然提高了很多，但从节约能源的要求来看，热机的效率还远远不能满意。最好的空气喷气发动机，在比较理想的情况下其效率也只有60%。用的最广的内燃机，其效率最多只达到40%。大部分能量被浪费掉了。

1.保证活塞滑动灵活，并且密封性好

2.保证喷头无损，喷雾均匀

3.连杆转轴等处摩擦小