淺談熱機及其效率

金行澤

人們一直在為提高熱機的效率而努力，在摸索中對蒸汽機等熱機的結構不斷進行各種嘗試和改進，盡量減少漏氣、散熱和摩擦等因素的影響，但熱機效率的提高依舊很微弱。這就不由得讓人們產生疑問：提高熱機效率的關鍵是什么？熱機效率的提高有沒有一個限度？

1 熱機概述

熱機是指把持續將熱轉化為功的機械裝置，熱機中應用最為廣泛的是蒸汽機。一個熱機至少應包含以下三個組成部分：循環工作物質；兩個或兩個以上的溫度不同的熱源，使工作物質從高溫熱源吸熱，向低溫熱源放熱；對外做功的機置。

2 熱機循環

所謂循環過程，是指系統（即工作物質）從初態出發，經歷一系列的中間狀態，最后回到原來狀態的過程。一個循環過程在P-V圖上即為一條閉合的循環曲線，在循環過程中熱機所做的凈功就是指P-V圖上循環曲線所圍的面積。

3 熱機效率——僅與兩個熱源接觸情形

對于一個熱機，由熱力學第二定律知：不可能從單一熱源吸熱，不需對外放熱，而使之全部變成有用功而不產生其他影響。由此可知，熱機不可能將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，即熱機效率不能達到100%，這樣，人們就必然會關心燃料燃燒所產生的熱中，或熱機從高溫熱源吸收的熱量中，有多少能量轉化為有用功的問題，即熱機的效率問題。

設熱機效率用 表示， 、 分別表示熱機循環中高溫所熱源放出的熱量及低溫熱源所吸收的熱量，W對外表示熱機對外做的功，則有：

對于整個循環中，系統回到原狀態，知

由熱力學第一定律

得：

將（3）代入（1）得：

因而，熱機的效率永遠小于100%。

4 熱機效率的物理意義。

熱機的效率越高（或越低） ， 表示用來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（或越小） ； 也可表示熱機將內能轉化為機械能的百分比越大（或越小） ； 還可表示完全燃燒相等的燃料的情況下， 熱機做的有用功越多（或越少） ， 或者做相同有用功的情況下， 熱機消耗的燃料越少（或越多）。

5 實際問題中的熱機效率與致冷系數

卡諾熱機的效率 ，T1為高溫熱源溫度，T2為低溫熱源溫度。從理論上講， 提高卡諾熱機效率可采用（1）提高高溫熱源溫度T1；（2） 降低低溫熱源溫度T2；（3）二者并舉， 但實際上除了減少損耗以提高熱機的效率外， 主要是提高高溫熱源的溫度， 而低溫熱源多采用大氣。這是因為欲降低低溫熱源溫度， 就需要采用致冷設備， 而致冷機的致冷系數 ，逆向卡諾循環的致冷系數 。

低溫熱源T2 溫度越低，致冷系數越小，外界對致冷機作功越多。這樣雖然提高了熱機效率， 但同時又白白把一部分功消耗在制冷上， 代價昂貴。

對于有些實際間題也可以把熱機和致冷機組合在一起， 比如在動力暖氣裝置的設備上。它是由一熱機和一致冷機組合而成。熱機靠燃料燃燒所放出的熱量工作， 向暖氣系統中的水放熱， 并帶動致冷機。致冷機自天然蓄水池中吸熱也向暖氣系統放熱。這樣， 暖氣系統所得的總熱量， 將要比單獨燃燒燃料所獲得的熱量多， 從而有效提高了高溫熱源的利用率。從理論上講， 高溫熱源溫度越高， 低溫熱源溫度越低， 熱機效率越高。但是低溫熱源溫度不可能等于零， 所以熱機的效率只能小于1。蒸汽機、柴油機、汽油發動機、火箭發動機等都屬熱機，而實際熱機的效率受到許多因素（如摩擦、漏氣、工作物質本身性質等）的限制，目前汽油發動機的最大效率可達30%左右， 提高實際熱機效率的間題，永遠是人類研究的課題，我們今天研究熱機效率與致冷系數問題，對將來從事科學研究具有重要的指導意義。

6 提高熱機效率的措施。

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

（1）在熱機的設計和制造方面， 要不斷地改進和革新， 以減少各種能量損失。

（2）在熱機的使用過程中， 確保方法正確， 并注意保養， 比如： 保證良好的潤滑、各運動部件之間的間隙要調節恰當盡可能減少機械損耗。

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

（作者單位：寧波市鎮海蛟川書院）