金寶峰

[摘 要]本文對(duì)機(jī)械功所具有的物理意義進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上闡述了機(jī)械功在熱能與動(dòng)力工程中的應(yīng)用與優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械功；熱能與動(dòng)力工程；應(yīng)用；優(yōu)化

[中圖分類號(hào)]TK123 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 前言

工程熱力學(xué)涉及到熱力學(xué)方面的各種原理和相應(yīng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，屬于基礎(chǔ)性的學(xué)科之一，其主要是通過工程的理念來理解并運(yùn)用熱力學(xué)。對(duì)于動(dòng)力工程來說，其占據(jù)著非常關(guān)鍵的位置。熱力學(xué)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，尤其是在我國的功業(yè)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，相關(guān)的熱能以及動(dòng)力工程的使用情況更廣。熱力學(xué)普遍的應(yīng)用在我國航空領(lǐng)域、電廠、空調(diào)系統(tǒng)以及制冷系統(tǒng)中，這些領(lǐng)域里有關(guān)的能量利用與設(shè)計(jì)，均需要以熱力學(xué)作為支撐。所以，我們有必要對(duì)不同的機(jī)械功加以分析與研究，了解并掌握它們之間所存在的聯(lián)系，探索如何更好地使機(jī)械功的使用得到優(yōu)化，不斷地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益的提升。同時(shí)，降低對(duì)于能源的消耗?，F(xiàn)階段，人們將熱力學(xué)的研究，過多地集中于對(duì)于理論和學(xué)科的優(yōu)化研究，很少會(huì)涉及到機(jī)械功的實(shí)際應(yīng)用研究。并且，也幾乎未對(duì)機(jī)械功所具有的物理內(nèi)涵加以細(xì)致分析，沒有對(duì)不同機(jī)械功所具有的聯(lián)系加以探索。眾所周知，力學(xué)說研究的范圍之內(nèi)，作用在某一物體之上的全部外力，讓該物體所受到的外力和值不等于零。同時(shí)，能夠讓該物體沿著合外力所作用的方位位移特定的長(zhǎng)度。我們可以說該合外力對(duì)持物體做了一定的功。所以，我們?nèi)绻o機(jī)械功下一個(gè)定義的話，應(yīng)當(dāng)符合下列的條件：力必須是作用于該物體；同時(shí)該物體也要在此力所在的方位位移特定的長(zhǎng)度。而熱力學(xué)里包含有的機(jī)械功有多種形式，分別為：技術(shù)功、體積功、流動(dòng)功、軸功等等。不同的機(jī)械功之間還存在一定的聯(lián)系，只有先弄清不同機(jī)械功的含義及相互作用，才可以更好的對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

2 機(jī)械功所具有的物理意義

2.1 體積功說所具有的物理意義

在體積功中又可以劃分為膨脹功以及壓縮功。其是通過某一系統(tǒng)所發(fā)生的體積改變而對(duì)外做的一定功。機(jī)械設(shè)備中，將熱能變?yōu)闄C(jī)械能這一技術(shù)，是采用利用工質(zhì)說發(fā)生體積膨脹而加以完成的。在此過程中，工質(zhì)發(fā)生一定的體積膨脹，從而對(duì)外界做功，也叫做膨脹功。而與之相反，如果在機(jī)械設(shè)備中，外界對(duì)相應(yīng)的工質(zhì)作一定的功，導(dǎo)致其自身體所受到壓縮而變小，此時(shí)機(jī)械能就轉(zhuǎn)換為了工質(zhì)自身所具有的熱能，就被稱為壓縮功。

2.2 流動(dòng)功所具有的物理意義

所謂的流動(dòng)功，指的是在一個(gè)開口的系統(tǒng)里面，輸入推動(dòng)功以及相應(yīng)的輸出推動(dòng)功之間存在的差值，也叫做推動(dòng)功。在所有的開口體系運(yùn)行，為了保持體系處于持續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)，必須要有一定的流動(dòng)功。和另外其他形式的功有所差異，流動(dòng)功的大小是通過相應(yīng)的流體參數(shù)加以確定。受此影響，我們通常把流動(dòng)功叫做流動(dòng)能。在系統(tǒng)中，流動(dòng)功必須要求相應(yīng)的工質(zhì)處于流動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，也是流動(dòng)的工質(zhì)獨(dú)有的一種形式的功。而處于閉口系統(tǒng)中的一些工質(zhì)，則不具備相應(yīng)的流動(dòng)功。

2.3 軸功所具有的物理意義

所謂的軸功指的是工質(zhì)在流過特定的裝置過程中，相應(yīng)的裝置和其裝置外部環(huán)境所進(jìn)行的交換的一種機(jī)械功。通常情況下，此機(jī)械功要借助于相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸，進(jìn)行能量的輸入以及輸出。因此，我們也將這種機(jī)械功叫做軸功。

2.4 技術(shù)功所具有的物理意義

在機(jī)械工程領(lǐng)域中，相應(yīng)的軸功、動(dòng)能差值、勢(shì)能差值等，均能夠被我們所直接的使用，因此他們又被統(tǒng)稱做技術(shù)功。要是某一工質(zhì)在通過相關(guān)裝置時(shí)，其相應(yīng)的動(dòng)能及勢(shì)能幾乎未出現(xiàn)改變，那么此時(shí)我們又可以將技術(shù)功看成是軸功。

3 機(jī)械功在熱能與動(dòng)力工程中的應(yīng)用與優(yōu)化分析

3.1 機(jī)械功在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用和優(yōu)化

通常機(jī)械功應(yīng)用在航空領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)之中。在氣缸中一定的混合燃?xì)庠谌紵^程中，會(huì)向外界釋放一定的能量，這些能量會(huì)推動(dòng)與之相連的活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，就將相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)變成體積功。其整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作包含有四個(gè)階段，分別是：進(jìn)氣階段；氣體壓縮階段；氣體膨脹階段以及氣體排放階段。以上的各個(gè)階段里，唯有氣體膨脹階段會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的體積功，而剩下的各個(gè)階段均需消耗相應(yīng)的機(jī)械功來完成。不過這三個(gè)階段所需消耗的功，在數(shù)值上要較所獲取的相應(yīng)體積功小很多。所以，所獲取的體積功量就非常的大，這些能量在經(jīng)由相關(guān)的連桿、軸等裝置，而轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功，使其推動(dòng)相應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，如果想提升軸功值，可以采取提高體積功的方式，也可以采取降低另外三個(gè)階段對(duì)于能量的消耗。應(yīng)當(dāng)采取增加壓縮比、改善氣體的剩余系數(shù)、調(diào)整滑油自身的溫度以及改善廢氣的再利用效果等優(yōu)化方法，來增加發(fā)動(dòng)機(jī)自身的功率。

3.2 機(jī)械功在空調(diào)以及制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用和優(yōu)化

隨著人們生活水平的不斷提升，各式各樣的制冷設(shè)備用于人們的日常生產(chǎn)與生活之中，相關(guān)的制冷原理則多為：由相應(yīng)冷藏室所流出的特定制冷劑會(huì)被吸到壓縮機(jī)的內(nèi)部，在其中完成壓縮處理，此時(shí)的內(nèi)部壓力以及溫度均會(huì)增加，然后將壓縮后的制冷劑再輸送到相應(yīng)的冷卻裝置中，然后再輸送至膨脹裝置中完成做功。此時(shí)，其壓力以及溫度均會(huì)明顯的減少，再將這些溫度相對(duì)低的制冷劑送至相應(yīng)的冷藏裝置，完成吸熱過程，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)冷藏室溫度調(diào)節(jié)的效果。在其制冷的過程中，技術(shù)功在很大程度上影響到整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果。因此，對(duì)于制冷系統(tǒng)優(yōu)化處理，可以通過相應(yīng)的冷卻手段，來降低壓氣機(jī)自身對(duì)于功的消耗。同時(shí)，也能夠減少相應(yīng)工質(zhì)的溫度值，達(dá)到改善系統(tǒng)功作效率的目的。另外，也能通過分級(jí)進(jìn)行壓縮處理，以及級(jí)間冷卻的措施，來對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣也能夠明顯地降低整個(gè)過程中技術(shù)功的使用量。

3.3 機(jī)械功在熱力發(fā)電中的應(yīng)用與優(yōu)化

目前，熱力發(fā)電過程中，均要涉及到機(jī)械功的應(yīng)用。由相應(yīng)的抽水泵，將水抽到鍋爐之中，而在其中水受到熱能的作用，形成具有很高溫度的蒸汽，這些蒸汽通過體積功以及軸功的形式，使相應(yīng)的氣輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而獲得電能。而做完功之后的蒸汽也會(huì)被再次的使用。此過程中，在水被輸入至鍋爐中需消耗一定的技術(shù)功，而我們知道，如果水具有的比容較大，則相應(yīng)所需的功量會(huì)增加。而要是水所具有的比容較小，則相應(yīng)所需的功量會(huì)減少。因此，如果再次利用循環(huán)水的話，要把其進(jìn)行冷卻處理，以減少水的比體積值，這樣才能降低輸送水所需的功量，也達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化目的。

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