金行泽
人们一直在为提高热机的效率而努力,在摸索中对蒸汽机等热机的结构不断进行各种尝试和改进,尽量减少漏气、散热和摩擦等因素的影响,但热机效率的提高依旧很微弱。这就不由得让人们产生疑问:提高热机效率的关键是什么?热机效率的提高有没有一个限度?
1 热机概述
热机是指把持续将热转化为功的机械装置,热机中应用最为广泛的是蒸汽机。一个热机至少应包含以下三个组成部分:循环工作物质;两个或两个以上的温度不同的热源,使工作物质从高温热源吸热,向低温热源放热;对外做功的机置。
2 熱机循环
所谓循环过程,是指系统(即工作物质)从初态出发,经历一系列的中间状态,最后回到原来状态的过程。一个循环过程在P-V图上即为一条闭合的循环曲线,在循环过程中热机所做的净功就是指P-V图上循环曲线所围的面积。
3 热机效率——仅与两个热源接触情形
对于一个热机,由热力学第二定律知:不可能从单一热源吸热,不需对外放热,而使之全部变成有用功而不产生其他影响。由此可知,热机不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为功,即热机效率不能达到100%,这样,人们就必然会关心燃料燃烧所产生的热中,或热机从高温热源吸收的热量中,有多少能量转化为有用功的问题,即热机的效率问题。
设热机效率用 表示, 、 分别表示热机循环中高温所热源放出的热量及低温热源所吸收的热量,W对外表示热机对外做的功,则有:
对于整个循环中,系统回到原状态,知
由热力学第一定律
得:
将(3)代入(1)得:
因而,热机的效率永远小于100%。
4 热机效率的物理意义。
热机的效率越高(或越低) , 表示用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量的比值越大(或越小) ; 也可表示热机将内能转化为机械能的百分比越大(或越小) ; 还可表示完全燃烧相等的燃料的情况下, 热机做的有用功越多(或越少) , 或者做相同有用功的情况下, 热机消耗的燃料越少(或越多)。
5 实际问题中的热机效率与致冷系数
卡诺热机的效率 ,T1为高温热源温度,T2为低温热源温度。从理论上讲, 提高卡诺热机效率可采用(1)提高高温热源温度T1;(2) 降低低温热源温度T2;(3)二者并举, 但实际上除了减少损耗以提高热机的效率外, 主要是提高高温热源的温度, 而低温热源多采用大气。这是因为欲降低低温热源温度, 就需要采用致冷设备, 而致冷机的致冷系数 ,逆向卡诺循环的致冷系数 。
低温热源T2 温度越低,致冷系数越小,外界对致冷机作功越多。这样虽然提高了热机效率, 但同时又白白把一部分功消耗在制冷上, 代价昂贵。
对于有些实际间题也可以把热机和致冷机组合在一起, 比如在动力暖气装置的设备上。它是由一热机和一致冷机组合而成。热机靠燃料燃烧所放出的热量工作, 向暖气系统中的水放热, 并带动致冷机。致冷机自天然蓄水池中吸热也向暖气系统放热。这样, 暖气系统所得的总热量, 将要比单独燃烧燃料所获得的热量多, 从而有效提高了高温热源的利用率。从理论上讲, 高温热源温度越高, 低温热源温度越低, 热机效率越高。但是低温热源温度不可能等于零, 所以热机的效率只能小于1。蒸汽机、柴油机、汽油发动机、火箭发动机等都属热机,而实际热机的效率受到许多因素(如摩擦、漏气、工作物质本身性质等)的限制,目前汽油发动机的最大效率可达30%左右, 提高实际热机效率的间题,永远是人类研究的课题,我们今天研究热机效率与致冷系数问题,对将来从事科学研究具有重要的指导意义。
6 提高热机效率的措施。
众所周知, 各种能源都是有限的。 因此, 人类在开发新能源的同时必须注意节约能源. 目前使用的热机效率普遍较低, 因而提高热机效率是节约能源的有效途径. 要有效提高热机效率, 可从以下几方面人手:
(1)在热机的设计和制造方面, 要不断地改进和革新, 以减少各种能量损失。
(2)在热机的使用过程中, 确保方法正确, 并注意保养, 比如: 保证良好的润滑、各运动部件之间的间隙要调节恰当尽可能减少机械损耗。
(3)想方设法使燃料尽可能充分燃烧, 使得等量的同种燃料燃烧时放出更多的热量。
(作者单位:宁波市镇海蛟川书院)