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熱機效率
鎖定
- 中文名
- 熱機效率
- 外文名
- Heat engine efficiency
- 表達式
- η=Q有/Q總×100%
- 應用學科
- 物理學
熱機效率背景介紹
法國數學家和工程學家薩迪·卡諾的父親拉札爾·卡諾(Lazre Nico-las Carnot,1753—1823)率先研究了這類問題,在他的著作中討論了各種機械的效率,隱諱地提出這樣一個觀念:設計低劣的機器往往有“丟失”或“浪費”。當時,在水力學中有一條卡諾原理,就是拉札爾·卡諾提出的,説的是效率最大的條件是傳送動力時不出現振動和湍流,這實際上反映了能量守恆的普遍規律。他的研究對他的兒子有深刻影響。
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“為了以最普遍的形式來考慮熱產生運動的原理,就必須撇開任何的機構或任何特殊的工作物質來進行考慮,就必須不僅建立蒸汽機原理,而且要建立所有假想的熱機的原理,不論在這種熱機裏用的是什麼工作物質,也不論以什麼方法來運轉它們。”
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熱機效率理想循環
卡諾根據熱質守恆的假設和永動機不可能實現的經驗總結,經過邏輯推理,證明他的理想循環獲得了最高的效率。他寫道:“如果有任何一種使用熱的方法,優於我們所使用的,即如有可能用任何一種過程,使熱質比上述操作順序產生更多的動力,那就有可能使動力的一部分轉化於使熱質從物體B送回到物體A,即從冷凝器回到熱源,於是就可以使狀態復原,重新開始第一道操作及其後的步驟,這就不僅造成了永恆運動,甚至還可以無限地創造出動力而不消耗熱質或任何其他工作物質。這樣的創造與公認的思想,與力學定律以及與正常的物理學完全矛盾,因而是不可取的。所以由此可得結論:用蒸汽獲得的最大動力也是用任何其他手段得到的最大動力。”
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不過,由於卡諾信奉熱質説,他的結論包含有不正確的成份。例如:他將蒸汽機比擬為水輪機,熱質比擬為流水,熱質從高温流向低温,總量不變。他寫道:“我們可以足夠確切地把熱的動力比之於瀑布。瀑布的動力取決於其高度和液體的量;而熱的動力則取決於所用熱質的量以及熱質的‘下落高度’,即交換熱質的兩物體之間的温度差。”
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卡諾就這樣把熱質的轉移和機械功聯繫了起來。由於他缺乏熱功轉化的思想,因此,對於熱力學第二定律,“他差不多已經探究到問題的底藴。阻礙他完全解決這個問題的,並不是事實材料的不足,而只是一個先入為主的錯誤理論。”(恩格斯:《自然辯證法》)
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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。上節所述的他遺留下的手稿表明他後來也轉向了熱的唯動説,並預言了熱功之間的當量關係和熱的分子運動論。可惜,手稿直至1878年才發表,因而對熱學的發展沒有起到應有的作用。
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熱機效率卡諾循環
卡諾效率(Carnot Efficiency) = 1-
Tc 代表卡諾熱機低温端(環境)的絕對温度值、Th 代表熱機高温端工質(氣體)的絕對温度值;由此計算得知:假如高温端工質絕對温度Th在1000K(727℃)、低温端(環境)絕對温度Tc在300K(27℃)時,卡諾熱機的最大熱功轉換效率是1-Tc/Th=70%
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熱機效率ηC
熱機效率公式
熱機效率彈性流體試驗
1.將A與容器 abcd中的空氣或與容器之壁接觸,假設此壁是熱質的良導體。由於這一接觸,空氣得到與A相同的温度。cd為活塞所處的位置。
3.移開物體A,空氣不再與任何能夠提供熱質的物體接觸,但活塞仍繼續移動,從位置ef達到位置gh,空氣未獲任何熱質而稀釋,它的温度下降了。假設下降到和物體B的温度相等,這時活塞停止運動,佔有位置gh。
5.移開物體B,繼續壓縮空氣。由於空氣這時已被隔絕,温度上升。壓縮一直繼續到空氣達到A的温度。活塞在此期間從位置cd到了位置ik。
6.空氣再與 A接觸,活塞從位置ik回到位置 ef,温度保持不變。
熱機效率熱機定律
熱機效率定義
熱機效率説明
②熱機在工作過程中,發熱器(高温熱源)裏的燃料燃燒時放出的熱量並沒有全部被工作物質(工質)所吸收,而工質從發熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉變為機械功,其餘部分隨工質排出,傳給冷凝器(低温熱源)。工質所作的機械功中還有一部分因克服機件摩擦而損失。根據熱機的工作特點,下面對熱機中熱量的利用和損耗情況作説明。
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以蒸汽輪機為例,蒸汽對汽輪膨脹做功的同時,汽輪對蒸汽產生一個反作用力使其壓縮,不能完全做功,由於這對作用力大小相等,且壓縮的膨脹能又等於蒸汽冷卻釋放的熱量,即w脹=w縮=q放,也就是説這三者各佔總能量的三分之一,這就是蒸汽輪機效率只有30%的原因,也是熱電廠只有60%的原因,而壓縮的30%的能量白白釋放掉了。
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熱機效率效率數值
蒸汽機百分之4~百分之8
蒸汽輪機百分之25~百分之30
燃氣輪機 百分之50~百分之60
汽油機百分之26~百分之45
柴油機 百分之34~百分之45
熱機效率提高效率
熱機的效率是熱機問世以來科學家、發明家和工程師們一直研究的重要問題。內燃機和噴氣機跟最初的蒸汽機相比,效率雖然提高了很多,但從節約能源的要求來看,熱機的效率還遠遠不能滿意。最好的空氣噴氣發動機,在比較理想的情況下其效率也只有60%。用的最廣的內燃機,其效率最多隻達到40%。大部分能量被浪費掉了。
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2.保證噴頭無損,噴霧均勻
3.連桿轉軸等處摩擦小
4.使用合適的燃料