熱力學:熱與熱機

一、熱機

熱機是利用內能來做功的機器，內燃機和汽輪機都屬於熱機。

1.內燃機

①.內燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合後，直接輸入機器內部燃燒產生熱能再轉化為機械能的一種熱機。汽油機、柴油機等都是內燃機。

內燃機

②.內燃機具有體積小、質量小、便於移動、熱效率高、啟動性能好的特點。但是內燃機一般使用石油燃料，同時排出的廢氣中，有害氣體的成分較高。

③.內燃機的工作原理：利用燃料在氣缸內燃燒產生的熱能，通過氣體受熱膨脹推動活塞移動，再經過連杆傳遞到曲軸使其旋轉做功。內燃機在實際工作時，由熱能到機械能的轉變是無數次的連續轉變。而每次能量轉變，都必須經歷進氣、壓縮、做功和排氣四個過程。每進行一次進氣、壓縮、做功和排氣叫作一個工作循環。若曲軸每轉兩圈，活塞經過四個衝程完成一個工作循環的叫作四衝程內燃機；若曲軸每轉一圈，活塞只經過兩個衝程就完成一個工作循環的叫作二衝程內燃機。

2.汽輪機

汽輪機

①.汽輪機是用蒸汽做功的一種旋轉式熱力原動機，它的優點是功率大、效率高、結構簡單、易損件少，運行安全可靠，調速方便、振動小、噪音小、防爆等，在煉油廠還可以充分利用煉油過程的餘熱生產蒸汽作為機泵的動力，這樣可以綜合利用熱能。

②.汽輪機主要由噴嘴(也稱靜葉)與動葉(也稱葉片)兩個部件組成。噴嘴固定在機殼或隔板上，動葉固定在輪盤上。

③.汽輪機的工作原理：蒸汽通過噴嘴時，壓力下降，體積膨脹形成高速氣流，推動葉輪旋轉而做功。

3.噴氣發動機

噴氣發動機

①.噴氣發動機也是一種內燃式熱機，燃料在燃燒室中燃燒，燃氣向後噴射，從而向前推動物體做功。噴氣發動機有空氣噴氣發動機和火箭噴氣發動機兩種。前者必需利用外界空氣，後者自身攜帶氧化劑，工作時不需要空氣。

②.目前，應用最廣泛的空氣噴氣發動機有渦輪噴氣發動機和渦輪風扇噴氣發動機兩種。它們都通過壓氣機來壓縮空氣，從而適應高空空氣稀薄的工作狀態。

③.渦輪噴氣發動機最初由啟動機帶動壓氣機來壓縮空氣，使空氣提高到大氣壓的數倍。壓縮空氣與噴入的燃料混合後燃燒。高溫、高壓的燃氣推動渦輪機葉片使渦輪機轉動，最後以很高的速度從噴管噴出。噴出氣體的反衝作用使發動機獲得向前的動力。渦輪機帶動氣壓機，使發動機持續工作。而渦輪風扇噴氣發動機與渦輪噴氣發動機構造差不多，只是在軸的前方多一個由軸帶動的大型前置風扇，可以提高發動機的效率。

④.與活塞內燃機相比，空氣噴氣發動機的優點是重量輕、體積小、功率大，而且構造簡單，可使用較經濟的航空煤油做燃料。

二、熱機的效率

斯特林發動機

1.熱機的效率是指用來做有用功的能量跟燃料完全燃燒時放出的能量之比。

2.利用工質所獲得的熱量Q1做機械功後，工質將進入冷源，因此總有一部分熱量在做完功後隨工質傳給冷源，這部分熱量損失叫熱損耗，設熱損耗的熱量為Q2，則轉換成機械功的熱量應為Q1－Q2。熱效率：η熱＝(Q1－Q2)/Q1×100%。

3.熱效率反映了工質所獲得的熱量被機械功利用的程度。實踐證明在熱循環過程中，有熱源就需要有冷源，因此熱損耗是不可避免的。理論證明，理想熱機的熱效率決定於熱源和冷源的溫度。熱源的溫度越高，冷源的溫度越低，熱效率就越高。所以要提高熱效率，就應該提高熱源的溫度、降低冷源的溫度、內燃機的熱效率比蒸汽機高，是因為汽油、柴油燃燒時，具有比較高的溫度，而冷源卻是大氣。

以前農村常用的燃料

4.工質用於做機械功的熱量Q1－Q2，也不可能完全轉化為有用功，因為熱機的各元件之間，熱機所帶動的機器各元件之間都有摩擦，因此機械損耗也是不可避免的。設機械損耗的熱量為Q3，轉化為有用功的熱量則為Q1－Q2－Q3，機械效率：η機＝(Q1－Q2－Q3)/(Q1－Q2)×100%。

5.機械效率反映了在機械傳動中，熱量利用的程度。

6.提高機械效率的方法是儘量減少各機器零件之間的摩擦。除要求設計合理外，主要是給可動部分塗抹潤滑油。

7.熱機效率是燃燒效率、熱效率、機械效率的總和，如果用η表示，則有η＝η燃·η熱·η機＝Q1/Q·(Q1－Q2)/Q1·(Q1－Q2－Q3)/Q1－Q2×100%＝Q1－Q2－Q3/Q×100%。

8.要提高熱機的效率，需要提高以上三種效率。

三、燃料的熱值

化學燃料中熱值最高的燃料氫氣

1.熱值

①.定義：1 kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。

②.物理意義：反映燃料燃燒放熱本領的物理量，熱值大，反映1 kg的這種燃料完全燃燒時放出的熱量多，或者說化學能轉化成的內能多。

③.單位：J/kg或J/m3(氣體)。

④.單位意義：例：幹木柴的熱值1.2×107 J/kg表示1kg幹木柴完全燃燒放出的熱量是1.2×107J。

⑤.性質：熱值是燃料的一種特性，它只與燃料的種類有關，與燃料的質量、體積、放熱多少、燃燒時間的長短都無關。

2.燃料燃燒放出的熱量

用m表示燃料的質量，用q表示燃料的熱值，用Q放表示該燃料完全燃燒時所放出的熱量，則Q放＝mq，其中m的單位是kg，q的單位是J/kg，Q放的單位是J。