熱機(jī)的發(fā)展

吉 智

（西北工業(yè)學(xué)校）

熱機(jī)也叫發(fā)動機(jī)，是指能把熱轉(zhuǎn)變成功的機(jī)器。人類發(fā)明并被大規(guī)模使用的熱機(jī)主要有蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣式發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)。

蒸汽機(jī)是英國人薩維利于1698 年，紐可門于1705 年各自獨立發(fā)明的。1765 年瓦特在紐可門機(jī)的基礎(chǔ)上，對蒸汽機(jī)做了重大改進(jìn)，使蒸汽機(jī)實現(xiàn)了現(xiàn)代化，大大提高了蒸汽機(jī)的效率。為紀(jì)念瓦特的貢獻(xiàn)，功率的單位以其姓氏命名。蒸汽機(jī)的發(fā)明推進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，解放了生產(chǎn)力，提高了勞動效率，蒸汽機(jī)的應(yīng)用是人類認(rèn)識和利用自然力的一個大突破，是人類歷史上的第一次技術(shù)革命。

蒸汽機(jī)的工作原理是用燃燒煤產(chǎn)生熱量，將水加熱成高溫高壓的水蒸氣，利用高壓水蒸氣推動氣缸中的活塞運(yùn)動，活塞帶動曲軸將往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動；直到19 世紀(jì)90 年代，我們還能看到蒸汽機(jī)火車頭在鐵路上急駛。但由于內(nèi)燃機(jī)的熱機(jī)效率低，污染嚴(yán)重而被淘汰，現(xiàn)在我們只能在博物館中目睹它的風(fēng)采了。

內(nèi)燃機(jī)是在18 世紀(jì)初發(fā)明的，1801 年，法國化學(xué)家菲利普勒本采用煤干餾得到的煤氣和氫氣，制成了利用煤氣和氫氣做燃料，和空氣中的氧氣燃燒膨脹推動活塞做功的發(fā)動機(jī)。1862 年法國工程師制造了兩沖程發(fā)動機(jī)，同年法國科學(xué)家德羅夏提出了四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作原理，德國發(fā)明家奧拓在1876 年制成了第一臺四沖程發(fā)動機(jī)。

內(nèi)燃機(jī)的工作原理是將空氣和燃料一同吸入氣缸中，或?qū)⒖諝馕霘飧锥鴮⑷剂蠂娙?，在氣缸中形成可燃混合氣體，利用點火裝置點燃或壓然混合氣體，使混合氣體燃燒膨脹推動活塞做功。內(nèi)燃機(jī)由于體積小，熱機(jī)效率高，是現(xiàn)代汽車的主要動力之一。

內(nèi)燃機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為兩沖程發(fā)動機(jī)、四沖程發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)。兩沖程發(fā)動機(jī)具有體積小，功率大，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，曾被大量用于摩托車；但由于無法滿足日益提高的排放要求，而逐漸被淘汰。轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)由于沒有活塞，所以體積更??；曾被用于馬自達(dá)著名的RX 跑車上，目前也面臨排放的問題。所以現(xiàn)在的汽車和摩托車主要使用四沖程發(fā)動機(jī)。按所用燃料不同，內(nèi)燃機(jī)也可分為汽油發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)，汽油發(fā)動機(jī)響應(yīng)速度快，主要用于轎車。柴油發(fā)動機(jī)具有扭矩大的優(yōu)點，主要用于大型運(yùn)輸車和輪船上。

渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)是在19 世紀(jì)初發(fā)明的。1930 年英國人弗蘭克·惠特爾爵士取得了離心式渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)發(fā)明專利，軸流式渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)也在德國誕生。但噴氣式發(fā)動機(jī)的真正應(yīng)用是在19 世紀(jì)50 年代的抗美援朝時期；當(dāng)時我國年輕的飛行員駕駛著米格-15 噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，打敗了很多參加過第二次世界大戰(zhàn)的美國王牌飛行員。

噴氣式發(fā)動機(jī)的工作原理是利用壓氣機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)將高壓空氣壓入燃燒室中，用噴油裝置將煤油也噴入燃燒室中和空氣形成可燃混合氣體，用點火裝置點燃混合氣體，在燃燒室中連續(xù)穩(wěn)定的燃燒；產(chǎn)生的熱量使氣體迅速膨脹，一部分推動渦輪帶動壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，另一部分向后高速噴出，產(chǎn)生反作用力，推動飛機(jī)前進(jìn)。噴氣式發(fā)動機(jī)可分為渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)、渦扇噴氣式發(fā)動機(jī)、渦輪軸噴氣式發(fā)動機(jī)和沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)，是現(xiàn)代飛機(jī)的主要發(fā)動機(jī)。正是由于噴氣式發(fā)動機(jī)的發(fā)明，才使飛機(jī)進(jìn)入了超音速時代。

火箭發(fā)動機(jī)是自身攜帶燃料和氧化劑，由于不需要空氣，不需要渦輪及壓氣機(jī)，所以結(jié)構(gòu)更簡單。工作時使燃料和氧化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫高壓氣體向后噴出，產(chǎn)生推力。

不同的熱機(jī)，盡管結(jié)構(gòu)和所用燃料不同，但工作原理都可以歸納為如下過程：熱機(jī)工作時需要有兩個熱源，一個高溫?zé)嵩春鸵粋€低溫?zé)嵩矗蜏責(zé)嵩淳褪俏覀冑囈陨娴拇髿?，熱機(jī)在兩個熱源之間工作。熱機(jī)首先從高溫?zé)嵩刺幬諢崃?，然后將吸收熱量的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ硪徊糠謧鬟f給低溫?zé)嵩?，可以看出熱機(jī)不能將從高溫?zé)嵩刺幬盏臒崃咳哭D(zhuǎn)變?yōu)楣?，因為有一部分熱量又傳遞給低溫?zé)嵩戳?。我們把熱機(jī)轉(zhuǎn)變成的功和從高溫?zé)嵩刺幬盏臒崃康谋戎到袩釞C(jī)效率；熱機(jī)的發(fā)展歷史也是熱機(jī)效率逐步提高的過程。

蒸汽機(jī)的熱機(jī)效率只有10%左右，也就是說蒸汽機(jī)只能把燃燒煤產(chǎn)生的熱量的10%轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而把剩余?0%熱量傳遞給空氣，即浪費了燃料，又造成了大氣的污染。而內(nèi)燃機(jī)的熱機(jī)效率在30%-40%，噴氣式發(fā)動機(jī)的熱機(jī)效率在50%-60%，火箭發(fā)動機(jī)的效率在70%左右。

隨著熱機(jī)的發(fā)展，熱機(jī)效率在提高，那么，熱機(jī)效率還能否再提高，能提高到多少呢？1824 年時，法國工程師卡諾從理論上設(shè)計出了一部沒有摩擦，活塞沒有重量的理想熱機(jī)。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，卡諾熱機(jī)的熱機(jī)效率只和兩個熱源的溫度有關(guān)，等于1 減去低溫?zé)嵩吹臏囟群透邷責(zé)嵩吹臏囟鹊谋戎?，由于低溫?zé)嵩吹臏囟群透邷責(zé)嵩吹臏囟鹊谋戎挡荒転榱?，所以熱機(jī)效率不能達(dá)到100%。另外，卡諾熱機(jī)也給我們指明了提高熱機(jī)效率的途徑，既增加熱機(jī)工作時的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟炔睢５蜏責(zé)嵩创髿獾臏囟炔荒芨淖?，所以要想提高熱機(jī)效率，除了改進(jìn)熱機(jī)的結(jié)構(gòu)，減少摩擦等因素外，更要提高發(fā)動機(jī)燃燒室的溫度，發(fā)展和改進(jìn)新型的更耐高溫的材料。

王振民.淺談提高蒸汽機(jī)車汽機(jī)效率［J］.中國商界：上半月，2013（03）.