熱力學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)與提高熱機(jī)效率的研究有密切關(guān)系。蒸汽機(jī)雖然在18世紀(jì)就已發(fā)明，但它從初創(chuàng)到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的年月，1765年和1782年，瓦特兩次改進(jìn)蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)，使蒸汽機(jī)的應(yīng)用得到了很大發(fā)展，但是效率仍不高。如何進(jìn)一步提高機(jī)器的效率就成了當(dāng)時(shí)工程師和科學(xué)家共同關(guān)心的問(wèn)題。

背景

法國(guó)數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家薩迪·卡諾的父親拉札爾·卡諾（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了這類問(wèn)題，在他的著作中討論了各種機(jī)械的效率，隱諱地提出這樣一個(gè)觀念：設(shè)計(jì)低劣的機(jī)器往往有“丟失”或“浪費(fèi)”。當(dāng)時(shí)，在水力學(xué)中有一條卡諾原理，就是拉札爾·卡諾提出的，說(shuō)的是效率最大的條件是傳送動(dòng)力時(shí)不出現(xiàn)振動(dòng)和湍流，這實(shí)際上反映了能量守恒的普遍規(guī)律。他的研究對(duì)他的兒子有深刻影響。

1824年薩迪·卡諾發(fā)表了著名論文《關(guān)于火的動(dòng)力及適于發(fā)展這一動(dòng)力的機(jī)器的思考》，提出了在熱機(jī)理論中有重要地位的卡諾定理，這個(gè)定理后來(lái)成了熱力學(xué)第二定律的先導(dǎo)。他寫(xiě)道：

“為了以最普遍的形式來(lái)考慮熱產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原理，就必須撇開(kāi)任何的機(jī)構(gòu)或任何特殊的工作物質(zhì)來(lái)進(jìn)行考慮，就必須不僅建立蒸汽機(jī)原理，而且要建立所有假想的熱機(jī)的原理，不論在這種熱機(jī)里用的是什么工作物質(zhì)，也不論以什么方法來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)它們?！笨ㄖZ取最普遍的形式進(jìn)行研究的方法，充分體現(xiàn)了熱力學(xué)的精髓。他撇開(kāi)一切次要因素，徑直選取一個(gè)理想循環(huán)，由此建立熱量和其轉(zhuǎn)移過(guò)程中所作功之間的理論聯(lián)系。

他首先作了如下假設(shè)：“設(shè)想兩個(gè)物體A與B，各保持于恒溫，A的溫度高于B；兩者不論取出熱或獲得熱，均不引起溫度變化，其作用就象是兩個(gè)無(wú)限大的熱質(zhì)之庫(kù)。我們稱A為熱源，稱B為冷凝器?！?/p>

定義

轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃扛剂先紵龝r(shí)放出的熱量的比叫做熱機(jī)的效率，也叫熱機(jī)的有效效率。通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

說(shuō)明

①凡是能夠利用燃料燃燒時(shí)放出的能來(lái)做機(jī)械功的機(jī)器就叫做熱機(jī)。

②熱機(jī)在工作過(guò)程中，發(fā)熱器 - 高溫?zé)嵩蠢锏娜剂先紵龝r(shí)放出的熱量并沒(méi)有全部被工作物質(zhì) - 工質(zhì)所吸收，而工質(zhì)從發(fā)熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器 - 低溫?zé)嵩础９べ|(zhì)所作的機(jī)械功中還有一部分因克服機(jī)件摩擦而損失。根據(jù)熱機(jī)的工作特點(diǎn)，下面對(duì)熱機(jī)中熱量的利用和損耗情況作一說(shuō)明。

提高效率

熱機(jī)的效率是熱機(jī)問(wèn)世以來(lái)科學(xué)家、發(fā)明家和工程師們一直研究的重要問(wèn)題?，F(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)和噴氣機(jī)跟最初的蒸汽機(jī)相比，效率雖然提高了很多，但從節(jié)約能源的要求來(lái)看，熱機(jī)的效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿意。最好的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在比較理想的情況下其效率也只有60%。用的最廣的內(nèi)燃機(jī)，其效率最多只達(dá)到40%。大部分能量被浪費(fèi)掉了。

1.保證活塞滑動(dòng)靈活，并且密封性好。

2.保證噴頭無(wú)損，噴霧均勻。

3.連桿轉(zhuǎn)軸等處摩擦小。

4.使用合適的燃料。

5.對(duì)于不可避免的熱能損失，可以用來(lái)加熱水等其他用途。

公式

是指熱機(jī)工作部分中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量和工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量的比。如果用ηt表示，則有ηt=W/Q1= - Q1-Q2/Q1=1-Q2/Q1。

從式中很明顯地看出Q1越大，Q2越小，熱效率越高，這是熱機(jī)效率中的主要部分，它表明了熱機(jī)中熱量的利用程度。

熱機(jī)的機(jī)械效率是指推動(dòng)機(jī)軸做功所需的熱量和熱機(jī)工作過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量的比，如果用ηm表示，則有ηm=Q3/ - Q1-Q2等。

熱機(jī)效率公式應(yīng)為η=Q有/Q放×100%

理想循環(huán)

卡諾選取的理想循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的；等溫膨脹時(shí)吸熱，等溫壓縮時(shí)放熱，空氣經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，可以對(duì)外作功?？ㄖZ熱機(jī)遵循卡諾循環(huán),它是可逆熱機(jī),可逆熱機(jī)的效率是高過(guò)不可逆熱機(jī)的,而任何可逆熱機(jī)的效率是不能高過(guò)卡諾熱機(jī)的。

卡諾由這個(gè)循環(huán)出發(fā)，提出了一個(gè)普遍的命題：“熱的動(dòng)力與用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的工作物質(zhì)無(wú)關(guān)；動(dòng)力的量只取決于熱質(zhì)在其間轉(zhuǎn)移的兩物體的溫度?！?/p>

卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒的假設(shè)和永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，經(jīng)過(guò)邏輯推理，證明他的理想循環(huán)獲得了最高的效率。他寫(xiě)道：“如果有任何一種使用熱的方法，優(yōu)于我們所使用的，即如有可能用任何一種過(guò)程，使熱質(zhì)比上述操作順序產(chǎn)生更多的動(dòng)力，那就有可能使動(dòng)力的一部分轉(zhuǎn)化于使熱質(zhì)從物體B送回到物體A，即從冷凝器回到熱源，于是就可以使?fàn)顟B(tài)復(fù)原，重新開(kāi)始第一道操作及其后的步驟，這就不僅造成了永恒運(yùn)動(dòng)，甚至還可以無(wú)限地創(chuàng)造出動(dòng)力而不消耗熱質(zhì)或任何其他工作物質(zhì)。這樣的創(chuàng)造與公認(rèn)的思想，與力學(xué)定律以及與正常的物理學(xué)完全矛盾，因而是不可取的。

所以由此可得結(jié)論：用蒸汽獲得的最大動(dòng)力也是用任何其他手段得到的最大動(dòng)力。”

這就是卡諾定理的最初表述。用現(xiàn)代詞匯來(lái)講就是：熱機(jī)必須工作在兩個(gè)熱源之間，熱機(jī)的效率僅僅決定于兩個(gè)熱源的溫度差，而與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，在兩個(gè)固定熱源之間工作的所有熱機(jī)，以可逆機(jī)效率最高。

不過(guò)，由于卡諾信奉熱質(zhì)說(shuō)，他的結(jié)論包含有不正確的成份。例如：他將蒸汽機(jī)比擬為水輪機(jī)，熱質(zhì)比擬為流水，熱質(zhì)從高溫流向低溫，總量不變。他寫(xiě)道：“我們可以足夠確切地把熱的動(dòng)力比之于瀑布。瀑布的動(dòng)力取決于其高度和液體的量；而熱的動(dòng)力則取決于所用熱質(zhì)的量以及熱質(zhì)的‘下落高度’，即交換熱質(zhì)的兩物體之間的溫度差。”

卡諾就這樣把熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移和機(jī)械功聯(lián)系了起來(lái)。由于他缺乏熱功轉(zhuǎn)化的思想，因此，對(duì)于熱力學(xué)第二定律，“他差不多已經(jīng)探究到問(wèn)題的底蘊(yùn)。阻礙他完全解決這個(gè)問(wèn)題的，并不是事實(shí)材料的不足，而只是一個(gè)先入為主的錯(cuò)誤理論。”（恩格斯：《自然辯證法》）

卡諾在1832年6月先得了猩紅熱和腦膜炎8月24日又患流行性霍亂去世，年僅36歲。上節(jié)所述的他遺留下的手稿表明他后來(lái)也轉(zhuǎn)向了熱的唯動(dòng)說(shuō)，并預(yù)言了熱功之間的當(dāng)量關(guān)系和熱的分子運(yùn)動(dòng)論?？上?，手稿直至1878年才發(fā)表，因而對(duì)熱學(xué)的發(fā)展沒(méi)有起到應(yīng)有的作用。

卡諾循環(huán)

卡諾效率（CarnotEfficiency）=1－ - Tc/Th

Tc代表卡諾循環(huán)低溫端（環(huán)境）的絕對(duì)溫度值、Th代表熱機(jī)高溫端工質(zhì) - 氣體的絕對(duì)溫度值；由此計(jì)算得知：假如高溫端工質(zhì)絕對(duì)溫度Th在1000K（727℃）、低溫端（環(huán)境）絕對(duì)溫度Tc在300K（27℃）時(shí)，卡諾熱機(jī)的最大熱功轉(zhuǎn)換效率是1-Tc/Th=70%?

效率數(shù)值

蒸汽機(jī)百分之4~百分之8

蒸汽輪機(jī)百分之25~百分之30

燃?xì)廨啓C(jī)百分之50~百分之60

汽油機(jī)百分之26~百分之45

柴油機(jī)百分之34~百分之45

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)百分之50~百分之60

?效率數(shù)值

蒸汽機(jī)4%~8%

蒸汽輪機(jī)25%~30%

燃?xì)廨啓C(jī)50%~60%

汽油機(jī)26%~45%

柴油機(jī)34%~45%

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)50%~60%