熱力學(xué)效率

熱機(jī)將熱能或熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

熱機(jī)的熱效率是轉(zhuǎn)換成工作的熱能的百分比。熱效率定義為

即使是最好的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率也很低，通常低于50%。因此，熱機(jī)對(duì)環(huán)境的損失是能源資源的主要浪費(fèi)。由于世界范圍內(nèi)生產(chǎn)的大部分燃料用于為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)供電，因此，盡管現(xiàn)代熱電聯(lián)產(chǎn)，聯(lián)合循環(huán)和能源回收計(jì)劃已開(kāi)始將其用于其他目的，但全球生產(chǎn)的有用能源的一半可能會(huì)浪費(fèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)低效率方面。這種低效率可歸因于三個(gè)原因。任何熱機(jī)由于溫度的效率都有一個(gè)總體理論上的限制，稱為卡諾效率。第二，特定類型的發(fā)動(dòng)機(jī)由于其使用的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的固有不可逆性而對(duì)其效率具有較低的限制。第三，真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的非理想行為，例如機(jī)械摩擦和燃燒過(guò)程中的損失導(dǎo)致進(jìn)一步的效率損失。

熱力學(xué)效率卡諾效率

熱力學(xué)第二定律對(duì)所有熱機(jī)的熱效率進(jìn)行了基本的限制。即使是理想的無(wú)摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉(zhuǎn)換成工作。限制因素是熱量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度

這個(gè)極限值被稱為卡諾循環(huán)效率，因?yàn)樗欠Q為卡諾循環(huán)的不可實(shí)現(xiàn)的、理想的、可逆的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的效率。沒(méi)有將熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，無(wú)論其結(jié)構(gòu)如何，都可以超越這種效率。

熱力學(xué)效率發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率

卡諾循環(huán)是可逆的，因此代表了發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率的上限。實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)是不可逆的，因此在相同溫度

內(nèi)燃機(jī)效率的一個(gè)重要參數(shù)是空氣 - 燃料混合物的比熱γ。這與燃料有所不同，但通常接近1.4。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值通常用在下面的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方程中，當(dāng)進(jìn)行這種近似時(shí)，該循環(huán)稱為空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)。

（1）奧托循環(huán)：奧托循環(huán)是用于汽油和氫燃料汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)的名稱。其理論效率取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比r和燃燒室中氣體的比熱比γ。

因此，效率隨著壓縮比而增加。 然而，奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比受限于需要防止被稱為爆震的不受控制的燃燒。 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比范圍為8至11，導(dǎo)致理想的循環(huán)效率為56%至61%。

（2）狄賽爾循環(huán)：卡車和火車在用于柴油卡車和火車發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油循環(huán)中，燃料通過(guò)氣缸中的壓縮點(diǎn)燃。 狄賽爾循環(huán)的效率取決于r和γ，如奧托循環(huán)，也取決于截止比rc，rc是燃燒過(guò)程開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的氣缸體積比：

當(dāng)使用相同的壓縮比時(shí)，狄賽爾循環(huán)的效率低于奧托循環(huán)。 然而，實(shí)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高出30% - 35%。這是因?yàn)?，由于燃料在燃燒需要點(diǎn)燃之前不被引入到燃燒室中，所以壓縮比不受避免爆震的需要的限制，因此使用比火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)高的比例。

（3）蘭金循環(huán)：蒸汽發(fā)電廠蘭金循環(huán)是汽輪機(jī)發(fā)電廠使用的循環(huán)。世界絕大多數(shù)電力都是在這個(gè)循環(huán)中生產(chǎn)的。 由于循環(huán)的工作流體水在循環(huán)過(guò)程中從液體變?yōu)檎羝⑶一氐狡浜?，其效率取決于水的熱力學(xué)性質(zhì)。具有再熱循環(huán)的現(xiàn)代蒸汽輪機(jī)廠的熱效率可以達(dá)到47%，在蒸汽輪機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)的排氣供電的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中，可達(dá)到60%。

（4）布雷頓循環(huán)：燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)布雷頓循環(huán)是燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的循環(huán)。它包括一個(gè)增加進(jìn)氣壓力的壓縮機(jī)，然后將燃料連續(xù)地添加到流中并燃燒，并且熱排氣在渦輪機(jī)中膨脹。 效率在很大程度上取決于燃燒室p₂內(nèi)的壓力與p₁以外的壓力之比

熱力學(xué)效率其他低效率

上述效率公式基于簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機(jī)理想化數(shù)學(xué)模型，沒(méi)有摩擦和工作流體遵守稱為理想氣體定律的簡(jiǎn)單熱力學(xué)規(guī)則。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)與理想行為有很多偏離，浪費(fèi)能源，降低遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述理論值的實(shí)際效率。例如：

（1）運(yùn)動(dòng)部件摩擦

（2）燃燒效率低下

（3）來(lái)自燃燒室的熱量損失

（4）工作流體離開(kāi)理想氣體的熱力學(xué)性質(zhì)

（5）空氣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)阻力

（6）輔助設(shè)備如油水泵所使用的能源。

（7）低效壓縮機(jī)和渦輪機(jī)

低效率的另一個(gè)原因是，除了效率低的污染之外，發(fā)動(dòng)機(jī)必須針對(duì)其他目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的要求特別嚴(yán)格：它們必須設(shè)計(jì)用于低排放，足夠的加速性，起動(dòng)速度快，重量輕，噪音低等特點(diǎn)。這些要求在設(shè)計(jì)上會(huì)受到影響（如改變氣門正時(shí)以減少排放），從而降低效率。平均汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率只有35%左右，也必須在停車位上閑置，浪費(fèi)17%的能量，總體效率為18%。[7]大型固定式發(fā)電廠具有較少的競(jìng)爭(zhēng)要求以及更高效的蘭金循環(huán)，因此它們比車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的效率明顯更高，約為50%。因此，用電動(dòng)車替換內(nèi)燃車輛，電動(dòng)車輛運(yùn)行在充電電池在發(fā)電廠燃燒燃料產(chǎn)生的電力，具有提高運(yùn)輸中能源使用的熱效率的理論潛力，從而減少對(duì)化石燃料的需求。

當(dāng)比較不同的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，如電力或運(yùn)行車輛的動(dòng)力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率本身只是一個(gè)因素。為了進(jìn)行有意義的比較，必須考慮從燃料源到消費(fèi)者的整個(gè)能源供應(yīng)鏈的整體效率。雖然熱機(jī)所浪費(fèi)的熱量通常是無(wú)效率的最大來(lái)源，但諸如燃料精煉和運(yùn)輸?shù)哪茉闯杀疽约斑\(yùn)輸它的輸電線路中的能量損失等因素可能會(huì)抵消更有效的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

熱力學(xué)效率定義

對(duì)于將能量從另一種形式轉(zhuǎn)換成熱能（例如電加熱器，鍋爐或爐）的設(shè)備，熱效率是

其中Q量是熱當(dāng)量值。

因此，對(duì)于每300 kW熱當(dāng)量輸入產(chǎn)生210 kW（或700,000 BTU / h）輸出的鍋爐，其熱效率為210/300 = 0.70或70%。 這意味著30%的能量會(huì)損失到環(huán)境中。

電阻加熱器的熱效率接近100%，當(dāng)將諸如高效電阻加熱器的加熱單元與80%有效的天然氣燃料爐進(jìn)行比較時(shí)，需要經(jīng)濟(jì)分析來(lái)確定最具成本效益的選擇。

熱力學(xué)效率燃料加熱值的影響

燃料的加熱值是放熱反應(yīng)（例如燃燒）時(shí)釋放的熱量，是每種物質(zhì)的特征。以每單位物質(zhì)的能量為單位進(jìn)行測(cè)量，通常為質(zhì)量，如：kJ / kg，J / mol。燃料的熱值表示為HHV，LHV或GHV，以區(qū)分相變熱的處理：

（1）通過(guò)將所有燃燒產(chǎn)物恢復(fù)到原始預(yù)燃溫度，特別是冷凝所產(chǎn)生的任何蒸氣來(lái)確定更高的發(fā)熱值（HHV）。這與熱力學(xué)燃燒熱相同。

（2）通過(guò)從較高的熱值減去水蒸汽的蒸發(fā)熱量來(lái)確定較低的熱值（LHV）（或凈熱值）。因此，蒸發(fā)水所需的能量不能作為熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）總的熱值考慮排氣中的水作為蒸氣而離開(kāi)，并且在燃燒之前包括在燃料中的液態(tài)水。該值對(duì)于木材或煤炭等燃料很重要，燃燒前通常會(huì)含有一定量的水。

正在使用哪個(gè)定義的熱值顯著影響任何引用的效率。

在熱力學(xué)中，熱效率（

一般來(lái)說(shuō)，能量轉(zhuǎn)換效率是能量條件下器件與輸入的有用輸出之間的比值。對(duì)于熱效率，設(shè)備的輸入

從熱力學(xué)的第一定律來(lái)看，能量輸出不能超過(guò)輸入（也不能等于），所以

當(dāng)以百分比表示時(shí)，熱效率必須在0%和100%之間。效率通常低于100%，因?yàn)榇嬖谛实拖?，例如將能量轉(zhuǎn)換成替代形式的摩擦和熱損失。例如，典型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)效率約為25%，大型燃煤發(fā)電機(jī)達(dá)到46%左右，一級(jí)方程式賽車規(guī)則的推進(jìn)推動(dòng)了團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)高效率的45% 50%的熱效率。世界上最大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到51.7%。在聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中，熱效率接近60%。

對(duì)于燃料燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)，有兩種熱效率：指示熱效率和制動(dòng)器熱效率。這種效率僅在比較類似類型或類似設(shè)備時(shí)才適用。對(duì)于其他系統(tǒng)，效率計(jì)算的細(xì)節(jié)變化，但是非尺寸輸入仍然相同，效率=輸出能量/輸入能量。

熱泵，冰箱和空調(diào)使用工作將熱量從較冷的地方移動(dòng)到較暖的地方，因此它們的功能與熱機(jī)相反。 施加到它們的工作能量（W_in）被轉(zhuǎn)換成熱量，并且從冷庫(kù)（Q_C）移動(dòng)的能量和熱能的總和等于加到熱水箱（Q_H）的總熱能）

它們的效率是通過(guò)性能系數(shù)（COP）來(lái)衡量的。熱泵是通過(guò)加熱到熱水箱的效率來(lái)測(cè)量的，即

使用“性能系數(shù)”來(lái)代替“效率”的原因是，由于這些裝置正在移動(dòng)熱量，而不是產(chǎn)生熱量，因此它們移動(dòng)的熱量可能大于輸入功率，因此COP可以更大 超過(guò)1（100%）。因此，如在電加熱器或爐中那樣，熱泵可以是比將簡(jiǎn)單地將輸入工作轉(zhuǎn)換成熱量更有效的加熱方式。

由于它們是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所以這些裝置也受到卡諾定理的限制。 卡爾諾效率對(duì)于這些過(guò)程的極限值，理論上只有理想的“可逆”循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)的平等是：

在被認(rèn)為是冰箱時(shí)，在考慮作為熱泵時(shí)，在相同溫度下使用的相同裝置更有效率：

這是因?yàn)楫?dāng)加熱時(shí)，用于運(yùn)行設(shè)備的工作被轉(zhuǎn)換為熱量并增加了期望的效果，而如果期望的效果是冷卻，則由輸入工作產(chǎn)生的熱量只是不需要的副產(chǎn)物。有時(shí)，效率一詞用于實(shí)現(xiàn)COP與卡諾COP的比例，不超過(guò)100%。

“熱效率”有時(shí)被稱為能量效率。在美國(guó)，在日常使用中，SEER是冷卻設(shè)備以及在加熱模式時(shí)熱泵的能源效率的更常見(jiàn)的測(cè)量。對(duì)于能量轉(zhuǎn)換加熱裝置，其常常表現(xiàn)出其峰值穩(wěn)態(tài)熱效率，例如，“該爐具有90%的效率”，但是季節(jié)能量效率的更詳細(xì)的測(cè)量是年燃料利用效率（AFUE）。

效率與所取截面有關(guān)。取壓縮機(jī)進(jìn)口截面和出口截面來(lái)計(jì)算效率,則為壓縮機(jī)的效率。如果不包括進(jìn)出氣管在內(nèi),取壓縮機(jī)中第一級(jí)進(jìn)口截面和末級(jí)出口截面計(jì)算效率,則為壓縮機(jī)級(jí)組的效率。如果取壓縮機(jī)的一個(gè)級(jí)的進(jìn)口截面和出口截面計(jì)算效率,則為級(jí)的效率。 2100433B

熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中，物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時(shí)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，研究的方法是宏觀的，它以歸納無(wú)數(shù)事實(shí)所得到的熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律作為推理的基礎(chǔ)，通過(guò)物質(zhì)的壓力 、溫度、比容等宏觀參數(shù)和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為，對(duì)宏觀現(xiàn)象和熱力過(guò)程進(jìn)行研究。常用的三種熱力學(xué)分析方法，即焓分析、熵分析和火用分析。通過(guò)各種熱力學(xué)分析方法對(duì)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行分析，改進(jìn)裝換裝置，能夠更加合理的利用能量，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展有著重要的意義。

熱力學(xué)分析通常包括三方面的內(nèi)容：（1）確定過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)變化的規(guī)律以及相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)；（2）確定過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系；（3）揭示過(guò)程中的不可逆程度，反映能量轉(zhuǎn)換與利用的完善性。

具體步驟為：（1）根據(jù)具體情況，劃定系統(tǒng)；（2）根據(jù)過(guò)程特性，確定過(guò)程中狀態(tài)變化的特定規(guī)律；（3）用圖表示意出熱力過(guò)程；（4）根據(jù)合適的熱力學(xué)定律，列出平衡式，求解未知量。

本書是適合于工科學(xué)生使用的熱力學(xué)初級(jí)教程．首先介紹熱力學(xué)的經(jīng)典方法即宏觀方法，并側(cè)重于熱力學(xué)參數(shù)、化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力循環(huán)．然后引入微觀概念，闡述統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的應(yīng)用．全書共分十五章，內(nèi)容為：緒論，熱力學(xué)第一定律，純物質(zhì)的宏觀特性，能量分析原則，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理，熱力學(xué)第二定律，狀態(tài)方程和通用熱力學(xué)關(guān)系式，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)應(yīng)用，分子運(yùn)動(dòng)論與輸運(yùn)現(xiàn)象，混合氣體，化學(xué)熱力學(xué)及平衡，動(dòng)力及制冷循環(huán)，可壓縮流熱力學(xué)，不可逆過(guò)程熱力學(xué)，能量的直接轉(zhuǎn)換，附錄．全書翻譯的具體分工為：邱海平譯序言，第一，五，六，八，九，十四章；曹黎明譯第二，三，四，七，十五章及附錄；侯增祺譯第十，十一，十二，十三章．

本書適合于大學(xué)理工科的師生以及有關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員．