熱機效率:物理學概念-中文百科頻道

背景

法國數學家和工程學家薩迪·卡諾的父親拉劄爾·卡諾（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了這類問題，在他的著作中讨論了各種機械的效率，隐諱地提出這樣一個觀念：設計低劣的機器往往有“丢失”或“浪費”。當時，在水力學中有一條卡諾原理，就是拉劄爾·卡諾提出的，說的是效率最大的條件是傳送動力時不出現振動和湍流，這實際上反映了能量守恒的普遍規律。他的研究對他的兒子有深刻影響。n

1824年薩迪·卡諾發表了著名論文《關于火的動力及适于發展這一動力的機器的思考》，提出了在熱機理論中有重要地位的卡諾定理，這個定理後來成了熱力學第二定律的先導。他寫道：n

“為了以最普遍的形式來考慮熱産生運動的原理，就必須撇開任何的機構或任何特殊的工作物質來進行考慮，就必須不僅建立蒸汽機原理，而且要建立所有假想的熱機的原理，不論在這種熱機裡用的是什麼工作物質，也不論以什麼方法來運轉它們。”卡諾取最普遍的形式進行研究的方法，充分體現了熱力學的精髓。他撇開一切次要因素，徑直選取一個理想循環，由此建立熱量和其轉移過程中所作功之間的理論聯系。n

他首先作了如下假設：“設想兩個物體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，其作用就象是兩個無限大的熱質之庫。我們稱A為熱源，稱B為冷凝器。”

定義

轉變為有用功的熱量跟燃料燃燒時放出的熱量的比叫做熱機的效率，也叫熱機的有效效率。通常用百分數來表示。

說明

①凡是能夠利用燃料燃燒時放出的能來做機械功的機器就叫做熱機。

②熱機在工作過程中，發熱器(高溫熱源)裡的燃料燃燒時放出的熱量并沒有全部被工作物質(工質)所吸收，而工質從發熱器所得到的那部分熱量也隻有一部分轉變為機械功，其餘部分随工質排出，傳給冷凝器(低溫熱源)。工質所作的機械功中還有一部分因克服機件摩擦而損失。根據熱機的工作特點，下面對熱機中熱量的利用和損耗情況作一說明。

提高效率

熱機的效率是熱機問世以來科學家、發明家和工程師們一直研究的重要問題。現在的内燃機和噴氣機跟最初的蒸汽機相比，效率雖然提高了很多，但從節約能源的要求來看，熱機的效率還遠遠不能滿意。最好的空氣噴氣發動機，在比較理想的情況下其效率也隻有60%。用的最廣的内燃機，其效率最多隻達到40%。大部分能量被浪費掉了。

1.保證活塞滑動靈活，并且密封性好。

2.保證噴頭無損，噴霧均勻。

3.連杆轉軸等處摩擦小。

4.使用合适的燃料。

5.對于不可避免的熱能損失，可以用來加熱水等其他用途。

公式

是指熱機工作部分中轉變為機械功的熱量和工質從發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，這是熱機效率中的主要部分，它表明了熱機中熱量的利用程度。

熱機的機械效率是指推動機軸做功所需的熱量和熱機工作過程中轉變為機械功的熱量的比，如果用ηm表示，則有ηm=Q3/(Q1-Q2)等。

熱機效率公式應為η=Q有/Q放×100%

理想循環

卡諾選取的理想循環是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的；等溫膨脹時吸熱，等溫壓縮時放熱，空氣經過一個循環，可以對外作功。卡諾熱機遵循卡諾循環,它是可逆熱機,可逆熱機的效率是高過不可逆熱機的,而任何可逆熱機的效率是不能高過卡諾熱機的。n

卡諾由這個循環出發，提出了一個普遍的命題：“熱的動力與用于實現動力的工作物質無關；動力的量隻取決于熱質在其間轉移的兩物體的溫度。”n

卡諾根據熱質守恒的假設和永動機不可能實現的經驗總結，經過邏輯推理，證明他的理想循環獲得了最高的效率。他寫道：“如果有任何一種使用熱的方法，優于我們所使用的，即如有可能用任何一種過程，使熱質比上述操作順序産生更多的動力，那就有可能使動力的一部分轉化于使熱質從物體B送回到物體A，即從冷凝器回到熱源，于是就可以使狀态複原，重新開始第一道操作及其後的步驟，這就不僅造成了永恒運動，甚至還可以無限地創造出動力而不消耗熱質或任何其他工作物質。這樣的創造與公認的思想，與力學定律以及與正常的物理學完全矛盾，因而是不可取的。

所以由此可得結論：用蒸汽獲得的最大動力也是用任何其他手段得到的最大動力。”n

這就是卡諾定理的最初表述。用現代詞彙來講就是：熱機必須工作在兩個熱源之間，熱機的效率僅僅決定于兩個熱源的溫度差，而與工作物質無關，在兩個固定熱源之間工作的所有熱機，以可逆機效率最高。n

不過，由于卡諾信奉熱質說，他的結論包含有不正确的成份。例如：他将蒸汽機比拟為水輪機，熱質比拟為流水，熱質從高溫流向低溫，總量不變。他寫道：“我們可以足夠确切地把熱的動力比之于瀑布。瀑布的動力取決于其高度和液體的量；而熱的動力則取決于所用熱質的量以及熱質的‘下落高度’，即交換熱質的兩物體之間的溫度差。”n

卡諾就這樣把熱質的轉移和機械功聯系了起來。由于他缺乏熱功轉化的思想，因此，對于熱力學第二定律，“他差不多已經探究到問題的底蘊。阻礙他完全解決這個問題的，并不是事實材料的不足，而隻是一個先入為主的錯誤理論。”（恩格斯：《自然辯證法》）n

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。上節所述的他遺留下的手稿表明他後來也轉向了熱的唯動說，并預言了熱功之間的當量關系和熱的分子運動論。可惜，手稿直至1878年才發表，因而對熱學的發展沒有起到應有的作用。