热机的发展

吉 智

（西北工业学校）

热机也叫发动机，是指能把热转变成功的机器。人类发明并被大规模使用的热机主要有蒸汽机、内燃机、喷气式发动机和火箭发动机。

蒸汽机是英国人萨维利于1698 年，纽可门于1705 年各自独立发明的。1765 年瓦特在纽可门机的基础上，对蒸汽机做了重大改进，使蒸汽机实现了现代化，大大提高了蒸汽机的效率。为纪念瓦特的贡献，功率的单位以其姓氏命名。蒸汽机的发明推进了生产力的发展，解放了生产力，提高了劳动效率，蒸汽机的应用是人类认识和利用自然力的一个大突破，是人类历史上的第一次技术革命。

蒸汽机的工作原理是用燃烧煤产生热量，将水加热成高温高压的水蒸气，利用高压水蒸气推动气缸中的活塞运动，活塞带动曲轴将往复运动转变为转动；直到19 世纪90 年代，我们还能看到蒸汽机火车头在铁路上急驶。但由于内燃机的热机效率低，污染严重而被淘汰，现在我们只能在博物馆中目睹它的风采了。

内燃机是在18 世纪初发明的，1801 年，法国化学家菲利普勒本采用煤干馏得到的煤气和氢气，制成了利用煤气和氢气做燃料，和空气中的氧气燃烧膨胀推动活塞做功的发动机。1862 年法国工程师制造了两冲程发动机，同年法国科学家德罗夏提出了四冲程内燃机的工作原理，德国发明家奥拓在1876 年制成了第一台四冲程发动机。

内燃机的工作原理是将空气和燃料一同吸入气缸中，或将空气吸入气缸而将燃料喷入，在气缸中形成可燃混合气体，利用点火装置点燃或压然混合气体，使混合气体燃烧膨胀推动活塞做功。内燃机由于体积小，热机效率高，是现代汽车的主要动力之一。

内燃机根据结构不同可分为两冲程发动机、四冲程发动机和转子发动机。两冲程发动机具有体积小，功率大，结构简单的优点，曾被大量用于摩托车；但由于无法满足日益提高的排放要求，而逐渐被淘汰。转子发动机由于没有活塞，所以体积更小；曾被用于马自达著名的RX 跑车上，目前也面临排放的问题。所以现在的汽车和摩托车主要使用四冲程发动机。按所用燃料不同，内燃机也可分为汽油发动机和柴油发动机，汽油发动机响应速度快，主要用于轿车。柴油发动机具有扭矩大的优点，主要用于大型运输车和轮船上。

涡轮喷气式发动机是在19 世纪初发明的。1930 年英国人弗兰克·惠特尔爵士取得了离心式涡轮喷气式发动机发明专利，轴流式涡轮喷气式发动机也在德国诞生。但喷气式发动机的真正应用是在19 世纪50 年代的抗美援朝时期；当时我国年轻的飞行员驾驶着米格-15 喷气式战斗机，打败了很多参加过第二次世界大战的美国王牌飞行员。

喷气式发动机的工作原理是利用压气机的高速旋转将高压空气压入燃烧室中，用喷油装置将煤油也喷入燃烧室中和空气形成可燃混合气体，用点火装置点燃混合气体，在燃烧室中连续稳定的燃烧；产生的热量使气体迅速膨胀，一部分推动涡轮带动压气机旋转，另一部分向后高速喷出，产生反作用力，推动飞机前进。喷气式发动机可分为涡轮喷气式发动机、涡扇喷气式发动机、涡轮轴喷气式发动机和冲压式喷气发动机，是现代飞机的主要发动机。正是由于喷气式发动机的发明，才使飞机进入了超音速时代。

火箭发动机是自身携带燃料和氧化剂，由于不需要空气，不需要涡轮及压气机，所以结构更简单。工作时使燃料和氧化剂发生燃烧反应，产生的高温高压气体向后喷出，产生推力。

不同的热机，尽管结构和所用燃料不同，但工作原理都可以归纳为如下过程：热机工作时需要有两个热源，一个高温热源和一个低温热源，低温热源就是我们赖以生存的大气，热机在两个热源之间工作。热机首先从高温热源处吸收热量，然后将吸收热量的一部分转变为功，另一部分传递给低温热源，可以看出热机不能将从高温热源处吸收的热量全部转变为功，因为有一部分热量又传递给低温热源了。我们把热机转变成的功和从高温热源处吸收的热量的比值叫热机效率；热机的发展历史也是热机效率逐步提高的过程。

蒸汽机的热机效率只有10%左右，也就是说蒸汽机只能把燃烧煤产生的热量的10%转变为功，而把剩余的90%热量传递给空气，即浪费了燃料，又造成了大气的污染。而内燃机的热机效率在30%-40%，喷气式发动机的热机效率在50%-60%，火箭发动机的效率在70%左右。

随着热机的发展，热机效率在提高，那么，热机效率还能否再提高，能提高到多少呢？1824 年时，法国工程师卡诺从理论上设计出了一部没有摩擦，活塞没有重量的理想热机。经过计算发现，卡诺热机的热机效率只和两个热源的温度有关，等于1 减去低温热源的温度和高温热源的温度的比值，由于低温热源的温度和高温热源的温度的比值不能为零，所以热机效率不能达到100%。另外，卡诺热机也给我们指明了提高热机效率的途径，既增加热机工作时的高温热源和低温热源的温度差。低温热源大气的温度不能改变，所以要想提高热机效率，除了改进热机的结构，减少摩擦等因素外，更要提高发动机燃烧室的温度，发展和改进新型的更耐高温的材料。

王振民.浅谈提高蒸汽机车汽机效率［J］.中国商界：上半月，2013（03）.