关于提高热机效率的探讨

********班

***

**********

20xx年5月

摘要：

热力学理论基础最初是在研究热机工作原理的基础上建立起来的，而热机，就是能把热转换成功的机器。热机中采用的过程都是循环过程，对循环过程的研究在实际和理论上都有着非常重要的意义。由于循环过程一定遵守能量守恒和转换定律，因此从19世纪初期开始，就有不少人致力于研究如何提高热机效率，即通过消耗有限的能源，转化为更多的机械能，以创造更大的经济效益，推动社会发展。

关键词：

热机效率，卡诺循环，热学三定律等。

一、问题的提出：

热机的循环过程中对能量的更高效利用，是人们一直以来的追求。从19世纪初期开始，就有不少人致力于研究如何提高热机效率。现在，本文首先以热电厂中的水-水蒸气循环为例来介绍热机是如何利用工质的状态变化来实现热向功的转换。

在热电厂中，首先用泵将循环水压入燃烧炉的管道系统中，管道系统中的水吸收煤燃烧产生的热量而升温、蒸发，产生高温高压的水蒸气，高温高压的水蒸气经蒸汽轮机绝热膨胀，对外做功，带动发电机发电，经蒸汽轮机后低温低压的水蒸气将在冷凝器中放在剩余的热量冷凝成水，从而完成一个循环过程。

从能量转换的角度看，水首先在燃烧炉中吸收煤燃烧产生的热量来增加自己的内能，变成高温高压的水蒸气，然后，高温高压的水蒸气在蒸汽轮机中将一部分内能转化成机械功，不能转化的部分将在冷凝器中以废热的方式传递给外界。即，工质首先要从外界高温热源吸收热量Q1来增加自己的内能，然后把其中的一部分内能转化为需要的功A，最后把不能转化成功的部分内能以热量Q2的形式在外界低温热源处放出，则，其吸收的净热量（Q1-Q2）应等于它对外界做的净功，即

Q1-Q2=A

而，热机效率定义为热机经一次循环过程对外作的功A与它从高温热源吸收热量Q1的比值，用η表示，即

η=A∕Q1*100% 或 η=1-Q2∕Q1

二、卡诺循环的提出

奥托循环的效率决定于压缩比r，而实际上，汽油内燃机的压缩比不超过7，如果按7计算，热机效率大致为55%左右，而实际的汽油机的效率比这小得多，一般不到30%。

1824年，法国工程师卡诺提出了一个理想循环，该循环以理想气体为工质，由两个等温过程和两个绝热过程组成，循环中工质只分别和温度恒定的高温热源及低温热源交换能量。这样的循环被后人称为卡诺循环，按卡诺循环工作的热机叫做卡诺热机。由4个过程组成：

?理想气体与高温热源（温度T1）相接触，由状态1（p1，V1，T1）等温膨胀到状态2（p2，V2，T1）。

?理想气体由状态2（p2，V2，T1）经绝热过程变化到状态3（p3，V3，T2）。

?理想气体与低温热源（温度T2）相接触，从状态3（p3，V3，T2）等温压缩到状态4（p4，V4，T2）。

④理想气体由状态4（p4，V4，T2）经绝热过程回到初态1（p1，V1，T1），完成一个循环过程。

可见，卡诺循环的效率为η=1-T2∕T1，表明，以理想气体为工质的卡诺循环的效率只由两个热源的热力学温度决定。可以证明，工作在同样的高温热源和低温热源之间的任意工质的卡诺热机的效率都可由上式给出，且此效率是实际热机可能达到的效率的极限值。

卡诺循环的这个公式提醒我们，要想提高热机效率，可以通过尽可能提高高温热源温度，或者尽可能降低低温热源温度，来实现这个

目的，我们在这里看到了曙光，更大程度的提高热机效率渐渐地成为了可能。

三、卡诺循环在实际中的应用：

其实，不仅是热机，制冷机效率的提高也可以应用卡诺循环。通过应用卡诺循环，为实际中如何提高燃煤电厂的效率指明了发展方向，由于实际生产中存在的难度，还无法用理想气体作为工质，而取而代之的是水和水蒸气工质，因此并无法真正达到卡诺循环的预期热机效率，但卡诺循环效率公式给出了人们进一步发展的方向，即努力提高高温热源温度，或降低低温热源温度，由此大幅度提高了热机、制冷机效率，对社会经济发展起到了极大的推动作用。

四、不足及难以实现之处：

在目前普遍运行的燃煤电厂中利用的高温蒸汽的温度约为

540℃，蒸汽冷凝的温度一般在环境温度，约为30℃。若按卡诺循环效率公式计算，其可能达到的理想效率为62.7%左右，而实际电厂的效率在40%左右，比卡诺循环的效率低很多。

这是因为，在实际电厂中，使用的工质是水和水蒸气，而不是理想气体，它们不可能工作在两条等温线之间（水吸收热量升温、蒸发及产生的水蒸气的升温过程中温度在不断变化），而且循环过程不可能是准静态的，其间不可避免地存在能量损耗。尽管如此，卡诺循环的效率公式还是为实际中如何提高燃煤电厂的效率指明了发展方向。由卡诺循环效率公式可以看出，高温热源温度越高，或者低温热源温度越低，卡诺循环的效率就越高。降低冷凝温度虽然在理论上可以提

高效率，但要将冷凝温度降低到环境温度一下，这在实际中是非常不经济的，所以靠降低冷凝温度来提高效率并无实际意义。实际中，要提高燃煤电厂的效率，就需要不断提高工质工作的最高温度状态，即水蒸气的温度。

目前正在研制的具有最高蒸汽温度的燃煤电厂的蒸汽温度可达700℃，效率因此可提高到50%以上！

长久以来，人们所希冀的，对热机效率的提高，经过了几代人的努力，渐渐地成为了现实，这有助于人们对自然资源的更好利用，也对环境的保护间接贡献了力量，象征着人类社会进一步的发展与推进。

五、总结与反思

这次论文的撰写，由于知识面不够宽，对问题认识并不是十分深入，因此较为肤浅，且准备时间较短，效果不是很理想。因此，希望自己在以后的学习中，更加注意课内知识的课外延伸，深入探讨科学问题，用充分时间准备，写出真正高质量的论文。

第二篇：热机效率问题