淺談熱機(jī)及其效率

金行澤

人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力，在摸索中對(duì)蒸汽機(jī)等熱機(jī)的結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行各種嘗試和改進(jìn)，盡量減少漏氣、散熱和摩擦等因素的影響，但熱機(jī)效率的提高依舊很微弱。這就不由得讓人們產(chǎn)生疑問(wèn)：提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵是什么？熱機(jī)效率的提高有沒(méi)有一個(gè)限度？

1 熱機(jī)概述

熱機(jī)是指把持續(xù)將熱轉(zhuǎn)化為功的機(jī)械裝置，熱機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的是蒸汽機(jī)。一個(gè)熱機(jī)至少應(yīng)包含以下三個(gè)組成部分：循環(huán)工作物質(zhì)；兩個(gè)或兩個(gè)以上的溫度不同的熱源，使工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰幔虻蜏責(zé)嵩捶艧?；?duì)外做功的機(jī)置。

2 熱機(jī)循環(huán)

所謂循環(huán)過(guò)程，是指系統(tǒng)（即工作物質(zhì)）從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，最后回到原來(lái)狀態(tài)的過(guò)程。一個(gè)循環(huán)過(guò)程在P-V圖上即為一條閉合的循環(huán)曲線，在循環(huán)過(guò)程中熱機(jī)所做的凈功就是指P-V圖上循環(huán)曲線所圍的面積。

3 熱機(jī)效率——僅與兩個(gè)熱源接觸情形

對(duì)于一個(gè)熱機(jī)，由熱力學(xué)第二定律知：不可能從單一熱源吸熱，不需對(duì)外放熱，而使之全部變成有用功而不產(chǎn)生其他影響。由此可知，熱機(jī)不可能將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功，即熱機(jī)效率不能達(dá)到100%，這樣，人們就必然會(huì)關(guān)心燃料燃燒所產(chǎn)生的熱中，或熱機(jī)從高溫?zé)嵩次盏臒崃恐?，有多少能量轉(zhuǎn)化為有用功的問(wèn)題，即熱機(jī)的效率問(wèn)題。

設(shè)熱機(jī)效率用 表示， 、 分別表示熱機(jī)循環(huán)中高溫所熱源放出的熱量及低溫?zé)嵩此盏臒崃?，W對(duì)外表示熱機(jī)對(duì)外做的功，則有：

對(duì)于整個(gè)循環(huán)中，系統(tǒng)回到原狀態(tài)，知

由熱力學(xué)第一定律

得：

將（3）代入（1）得：

因而，熱機(jī)的效率永遠(yuǎn)小于100%。

4 熱機(jī)效率的物理意義。

熱機(jī)的效率越高（或越低） ， 表示用來(lái)做有用功的那部分能量與燃料完全燃燒放出的能量的比值越大（或越?。?； 也可表示熱機(jī)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的百分比越大（或越?。?； 還可表示完全燃燒相等的燃料的情況下， 熱機(jī)做的有用功越多（或越少） ， 或者做相同有用功的情況下， 熱機(jī)消耗的燃料越少（或越多）。

5 實(shí)際問(wèn)題中的熱機(jī)效率與致冷系數(shù)

卡諾熱機(jī)的效率 ，T1為高溫?zé)嵩礈囟龋琓2為低溫?zé)嵩礈囟?。從理論上講， 提高卡諾熱機(jī)效率可采用（1）提高高溫?zé)嵩礈囟萒1；（2） 降低低溫?zé)嵩礈囟萒2；（3）二者并舉， 但實(shí)際上除了減少損耗以提高熱機(jī)的效率外， 主要是提高高溫?zé)嵩吹臏囟龋?而低溫?zé)嵩炊嗖捎么髿?。這是因?yàn)橛档偷蜏責(zé)嵩礈囟龋?就需要采用致冷設(shè)備， 而致冷機(jī)的致冷系數(shù) ，逆向卡諾循環(huán)的致冷系數(shù) 。

低溫?zé)嵩碩2 溫度越低，致冷系數(shù)越小，外界對(duì)致冷機(jī)作功越多。這樣雖然提高了熱機(jī)效率， 但同時(shí)又白白把一部分功消耗在制冷上， 代價(jià)昂貴。

對(duì)于有些實(shí)際間題也可以把熱機(jī)和致冷機(jī)組合在一起， 比如在動(dòng)力暖氣裝置的設(shè)備上。它是由一熱機(jī)和一致冷機(jī)組合而成。熱機(jī)靠燃料燃燒所放出的熱量工作， 向暖氣系統(tǒng)中的水放熱， 并帶動(dòng)致冷機(jī)。致冷機(jī)自天然蓄水池中吸熱也向暖氣系統(tǒng)放熱。這樣， 暖氣系統(tǒng)所得的總熱量， 將要比單獨(dú)燃燒燃料所獲得的熱量多， 從而有效提高了高溫?zé)嵩吹睦寐省睦碚撋现v， 高溫?zé)嵩礈囟仍礁撸?低溫?zé)嵩礈囟仍降停?熱機(jī)效率越高。但是低溫?zé)嵩礈囟炔豢赡艿扔诹悖?所以熱機(jī)的效率只能小于1。蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等都屬熱機(jī)，而實(shí)際熱機(jī)的效率受到許多因素（如摩擦、漏氣、工作物質(zhì)本身性質(zhì)等）的限制，目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大效率可達(dá)30%左右， 提高實(shí)際熱機(jī)效率的間題，永遠(yuǎn)是人類研究的課題，我們今天研究熱機(jī)效率與致冷系數(shù)問(wèn)題，對(duì)將來(lái)從事科學(xué)研究具有重要的指導(dǎo)意義。

6 提高熱機(jī)效率的措施。

眾所周知， 各種能源都是有限的。 因此， 人類在開發(fā)新能源的同時(shí)必須注意節(jié)約能源. 目前使用的熱機(jī)效率普遍較低， 因而提高熱機(jī)效率是節(jié)約能源的有效途徑. 要有效提高熱機(jī)效率， 可從以下幾方面人手：

（1）在熱機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方面， 要不斷地改進(jìn)和革新， 以減少各種能量損失。

（2）在熱機(jī)的使用過(guò)程中， 確保方法正確， 并注意保養(yǎng)， 比如： 保證良好的潤(rùn)滑、各運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙要調(diào)節(jié)恰當(dāng)盡可能減少機(jī)械損耗。

（3）想方設(shè)法使燃料盡可能充分燃燒， 使得等量的同種燃料燃燒時(shí)放出更多的熱量。

（作者單位：寧波市鎮(zhèn)海蛟川書院）