什么是热效率。 什么是热力学第一定律和第二定律，什么是卡诺循环和卡诺效率。 汽车内燃机的热效率。 发电厂的热效率。
本文难免会有一些学术内容，希望不会像教科书一样枯燥。 也欢迎讨论。 但我想澄清的一件事是，这篇文章，尤其是第1-3点，是绝对正确的。 这些不是我个人的主观意见，而是客观事实，就像1+1=2一样。 内燃机在不断发展，但决定内燃机极限的基本热力学理论在两百年前就已经被弄清楚了。 所以，如果你不明白什么，尽管问，我非常愿意解释它，但请不要质疑它的正确性。 如果您认为我在胡言乱语，请毫不犹豫地立即拉黑我。
什么是热效率？
对于往复式内燃机，热效率（ ）是指气缸内气体对活塞所做的功与放出的热量之比。
eta_{th}=frac{W_{输出}}{Q_{输入}}
热效率的概念很简单。 但需要明确的是，热效率与发动机中的摩擦效率和机械效率无关。 完全测量的是热机本身的效率。 也有很多人分不清热效率和燃烧效率eta_{c}。 燃烧效率是指燃油在气缸内完全燃烧的程度，一般在90-95%以上。 如果一台发动机的热效率只有30%，并不是说气缸内的燃料只燃烧了三分之一，而是气缸内的燃料燃烧后，只转化了三分之一的能量进入机械工作。 输出。 燃烧效率、热效率和机械效率的乘积可以认为是整个发动机的总效率：
eta_{b}=eta_{c}eta_{th}eta_{m}
由于燃烧效率和机械效率一般都在90%以上，提高热效率是关键。 所以常常只提到热效率。 当然，这些效率的定义在不同的情况下略有不同内燃机效率，这里不再赘述。
量产汽车上路热效率一般在30%以上。 剩下的60%的能量去哪儿了？ 可以简单认为，汽油燃烧释放的热量分为三部分，一部分被用于冷却气缸的冷却水带走，第二部分在排气时浪费掉，剩下的三分之一是有效功，故热效率达30%以上。 换句话说，只要你的汽车水箱是热的，排气管是热的，能源就被浪费了。
热力学第一、第二定律、卡诺循环和卡诺效率
热力学第一定律是能量守恒定律。 如果你对此有任何疑问，我认为知乎不适合你。 你应该立即做一些可以赢得诺贝尔奖的研究。
热力学第二定律意味着能量的转化不仅要符合能量守恒定律，即数量上不能发生变化。 同时，不同的能量具有不同的品质。 从优质能源到低品质能源，转换效率是100%，但从低品质能源到优质能源，效率不可能100%。 换句话说，不同形式的能量可以相互转化并且具有方向性。 优质能源包括电能和机械能。 最低质量的能量是热量。 利用电阻丝发热，消耗的电能100%可转化为热量。 然而，将热量转化为机械能时不可能达到100%的效率。 这是热机的理论上限。 因为热机是将热量转化为机械能的装置。
至于卡诺循环，可以认为是热机热力学第二定律的定量表达。 也就是说，无论是哪一种热机，无论是内燃机还是外燃机，无论是往复式热机还是旋转式（涡轮）热机，无论它如何获取热量，其最终效率是不容侵犯的。 根据热力学第二定律，这个极限效率就是卡诺循环的效率，简称卡诺效率。
任何热机都可以认为是从高温热源获取能量，然后对外做功。 最后，一小部分能量必须从系统排放到低温热源。 作为一个简单的例子，下图是蒸汽轮机的示意图。 蒸汽轮机在时间 2-3 处从锅炉吸收热量，并在时间 3-4 处通过涡轮机做功。 然而，必须在4-1的冷凝器中将一些热量排放到环境中，否则这个热力循环就无法完成。
卡诺于1824年认为热机的最终效率只与高温热源和低温热源的温度有关，与热机的类型无关：
eta_{}=1-frac{T_{低}}{T_{高}}
T_{low}和T_{high}都是热力学温度，单位是开尔文。 低温热源的温度比较简单。 大多数情况下，可以认为是室温，23°C（296 K，我们计算为300 K）。 因此，如果蒸汽机锅炉的加热温度为600K（327℃），那么蒸汽机的最终效率为50%，这是不可能突破的。 这就是卡诺效率的意义。
卡诺循环的指导意义在于，它告诉我们，为了提高热机的效率，虽然我们不能降低低温热源的温度，但应该设法提高高温热源的温度。热源，提高热机效率。
汽车内燃机和奥托循环
上图第一张图中，锅炉用于加热工质（工作物质，用于做功的流体），并通过冷凝器中的热交换进行冷却。 那么低温热源和高温热源就很容易理解了。 这是典型的外燃机。
对于汽车内燃机来说，实际上不存在所谓的高温热源。一般认为，由于燃料的燃烧，气缸内气体达到的极限温度就是高温热源，而这个温度不低于2000K（是的，你没看错，我也写对了，而且我还可以告诉你，钢的熔点大约是1400℃，也就是1700K，铝的熔点为660℃，约1000K），则汽车内燃机的卡诺效率为
eta_{}=1-frac{300}{2000}=0.85
那么目前汽车内燃机的热效率只有30%、40%，那么潜力是巨大的吧？
其实2000K还是比较保守的。 对于传统汽油机来说，缸内最高温度达到2500K是很正常的，那么为什么内燃机的极限温度能够如此之高，甚至突破金属的熔点呢？ 主要原因很简单。 汽车内燃机是往复式热机。 四冲程内燃机旋转两次即可完成一个工作循环，即720°。 缸内气体温度能够高于2000K的时间可能只有10°左右。在整个进排气循环过程中，缸内气体温度可能只有300-400K。因此，虽然气缸内气体的温度有一瞬间很高，平均温度并没有那么高（400-500 K），因此往复式内燃机对气缸壁材料非常友好，这有助于降低成本。 因此，往复式内燃机的高温热源可能非常高。 根据卡诺定律，往复式内燃机的最终效率非常高。 关于气缸壁温度，有一个更好的答案。 可以参考@ 发动机工作时内部是如何承受2000多度的高温的？
那么既然汽车内燃机的理论卡诺效率那么高，为什么汽车内燃机的效率却不高呢？ 因为这是受热力循环限制的。 汽车往复式内燃机可以近似为理想的奥托循环。 1-2是压缩，2-3是燃烧，3-4是膨胀功，4-1是排气，0-1-0是通风。 （感谢@告诉我中文是Otto而不是Otto，我一直打错）
对于奥托循环来说，它的热效率计算非常简单，看下面的公式。 γ是一个称为比热比的数字，它随温度和气体成分的变化而略有变化，可以认为是1.35。 CR是压缩比。 因此，如果压缩比为10，奥托循环的理论热效率为55%。 如果压缩比为15，奥托循环的理论热效率为61%。
eta_{奥托}=1-frac{1}{{CR}^{gamma-1}}
所以可以看出奥托循环的效率不高，而且和卡诺循环有很大不同，所以汽车内燃机的效率比较低。 宽松地说，热力学第二定律的局限性对于汽车内燃机来说没有任何用处。 他们相距太远了。 但由于汽车内燃机的极限温度较高，这提高了内燃机的效率。 而且，热力学告诉我们，汽车内燃机的效率很容易超过50%。 事实上，先进的内燃机技术已经不再受到奥托循环的限制，因此奥托循环的理论热效率并不完全是内燃机的上限。 但我不会在本文中详细介绍。
传统火力发电厂、蒸汽轮机和朗肯循环
这其实就是大家都熟悉的：烧水。 你可以燃烧煤、天然气或铀。 简而言之，你燃烧一些东西来释放热量来煮水并做功。 这是蒸汽轮机，对应热力学的朗肯。 循环。
烧水最大的问题是水温不能太高。 对于传统汽轮机来说，汽轮机进口温度一般低于374℃（水的临界点），因此基于该温度计算的卡诺效率仅为54%，远高于内燃的85%引擎。 不过，由于朗肯循环中存在水的液-气相变，所以朗肯循环本身实际上非常接近卡诺循环，因此实际效率可以非常高，超过30%。 我不会详细介绍。
这时，有人在谈论超临界（）和超超临界（Ultra-）朗肯循环。 这是指水蒸气的状态，也就是说当水温高于374°C时，无论加压多少，水都不会变成液态。 根据维基百科（蒸汽），超临界机组的最高温度可达566°C。 此时卡诺效率为64%。 超超临界机组最高温度可达760℃，卡诺效率为71%。 因此，采用超临界和超超临界机组确实可以大大提高蒸汽机的热效率。 实际效率可以达到40-50%，但这伴随着材料需求的增加。 蒸汽机是旋转机器，高压涡轮叶片始终暴露在高温下。 因此，它们能承受的温度比往复式内燃机要低得多。
联合循环
最后，我们要提一下联合循环（Power Cycle）。 由于朗肯循环的热源温度不能太高，所以有人的想法是串联一个燃气单元和一个蒸汽单元，如下图所示。 6是燃气轮机，使用布雷顿循环。 这种类型的循环效率较低，出口温度较高。 因此，燃气轮机的出口可用于加热一组汽轮机，即2-5台。
燃气轮机内的温度较高，可达数千度。 如果正好是1000℃，此时的卡诺效率是76%，相当高了。 但燃气轮机的出口温度也很高，有时达到五六百摄氏度。 如果不重复利用的话，效率是很低的。 但这个温度正好适合朗肯循环。 因此，联合循环的效率非常高，可达60%。 但同样，燃气轮机内部的温度也不能太高，而且也受到材料的限制。 其原因与蒸汽轮机类似。
总结一下现代热机研究人员和工程师正在做什么？
最后让我补充几句话。 也许有人不明白，热力学既然研究得这么透彻，为什么现在的热机还有改进的空间呢？ 事实上，热力学作为一门基础科学，只是告诉你什么是可能的，什么是不可能的。 具体怎么做，就是工程问题了。 一方面，如前所述，对于电厂中的旋转式热机来说，提高材料极限可以显着提高热机的性能。 另一方面，无论哪种热机，工质的流动、热交换和燃料的燃烧都是非常复杂和重要的过程，涉及流体力学、传热、燃烧、化学动力学等一系列问题。应用科学，因此对这些学科的深入理解和应用可以减少各种损失，使实际效率接近理论效率。 这就是工业界和学术界现在正在做的事情。
后续计划
嗯，没想到会被编辑收录。 虽然确实没什么大不了的，但至少说明有人会读。 大致想了想，以后我会写这样的东西：
汽油机和柴油机的区别。 这似乎是一个非常简单的问题，不需要任何解释，但事实上，却没有那么简单。 如果你不懂汽油机和柴油机，你就无法理解为什么HCCI和马自达的SPCCI可以提高热效率。 提高发动机效率的方法和局限性。 各种汽油机魔改只关注发动机本身，暂时不涉及混合动力。 （让柴油发动机见鬼去吧，我不会写它）均质压缩点火 HCCI。 其他HCCI衍生的技术，如PCCI、SACI（马自达的SPCCI）、RCCI等也可以引入jet。 各种奇怪的发动机：比如转子发动机、自由活塞发动机、对置活塞发动机等。纯粹为了好玩而写的，这些发动机甚至不一定有意义，但它们都很有趣。
希望每隔一到两周更新一次。 其实我也可以写关于电动汽车和混合动力总成以及整车级别的分析，但是目前还没有想到什么特别好的想法。
第二篇：阿聪聪聪：汽油机和柴油机的本质区别是什么？
2019.03.05 补充
@问我为什么在计算卡诺效率时不使用发动机排气温度作为低温热源，而是使用300 K的环境温度。我认为这是一个很好的问题，之前有人问过我。 确实，用排气温度作为低温热源温度会导致效率较低，看起来更接近实际情况。 但卡诺定律作为热力学第二定律的一种表达方式，并不是为了更接近真实情况，而是表达一个理论上的上限。 只要排气温度高于环境温度，实际热效率就有可能提高内燃机效率，所以低温热源必须设置为300K。而且卡诺热机不看热量的形式机，但只关心热源温度的高低，非常适合不同类型热机之间的比较。 因此，使用300 K的环境温度是一个更合理的值。
参考
标题图片是布加迪发动机的照片。 所有其他图像均来自维基百科。
顺便说一句，这是我的其他答案：