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：提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵是什么？熱機(jī)效率的提高有沒有一個(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)，最后回到原來狀態(tài)的過程。一個(gè)循環(huán)過程在P-V圖上即為一條閉合的循環(huán)曲線，在循環(huán)過程中熱機(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盏臒崃恐校卸嗌倌芰哭D(zhuǎn)化為有用功的問題，即熱機(jī)的效率問題。

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?，T2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?。從理論上講， 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)問題，對(duì)將來從事科學(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）