热机效率和制冷机效率比较

热机效率和制冷机效率比较18世纪第一台蒸汽机问世后，经过许多人的改进，特别是纽可门和瓦特的工作，是蒸汽机成为普遍适用与工业的万能原动机，但其效率却一直很低，只有3%~5%左右，95%以上的热量都未被利用，其它热机的效率也普遍不高，譬如：液体燃料火箭效率48%，柴油机效率37%，汽油机效率25%等等。而制冷机是19世纪50年代法国的卡雷兄弟先后成功一硫酸和水为工质的吸收式制冷机和氨水吸收式制冷机研制而成，随后出现了蒸汽喷射式制冷机，到1930年出现了氟利昂制冷剂压缩式制冷机的迅速发展，至1945年，美国研制成功溴化银吸收式制冷机。1824年法国青年工程师卡诺分析了各种热机的设计方案和基本结构，根据热机的基本工作过程，研究了一种理想热机的效率，这种热机确定了我们能将吸收的热量最大限度地用来对外做有用功，且该热机效率与工作物质无关，仅与热源温度有关，即卡诺定理，从而为热机的研究工作确定了一个正确的目标。热机及其效率热机是指把持续将热转化为功的机械装置，热机中应用最为广泛的是蒸汽机。一个热机至少应包括以下三个组成部分：①循环工作物资；②两个或两个以上的温度不同的热源，使工作物资从高温热源吸热，向低温热源放热；③对外做功的机械装置。热机的简化工作原理图如图一所示。热机效率，考虑仅与两个热源接触的情形。对于一个热机，由热力学第二定理知:不可能从单一热源吸热，不需对外放热，而使之全部变成有用功而不产生其它影响。由此知，热机不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为功，即热机效率不可能达到100%，这样就存在热机效率的高低。设热机效率用热表示，1Q`2Q分别表示热机循环中高温热源所放出的热量及低温热源所吸收的热量。W对外表示热机对外做的功，则有：1W=Q对外热（1）由于整个循环中，系统回到原状态，知U=0。由热力学第一定理U=Q+W（2）12W=Q-Q有用（3）将(3)代入(1)得：12211Q-QQ==1-QQ热(4)对于卡诺热机有32221212121411122221111111VVVVRTln-RTlnRTln-RTlnQ-QQ-QVVVVT-TT======1-VVQQTTRTlnRTlnVV吸放卡热吸（5）对于两个以上热源接触情形。若系统与两个以上的热源相接触，设有m个高温热源，热机从这些高温热源吸收的热量分别为1Qi（i=1,2,3...,n），有n个低温热源，热机从这些低温热源吸收的热量分别为2Qi（i=1,2,3,...,n）。则整个系统中，系统总的吸热为111QmiiQ（6）系统总的放热为221QmniiQ（6）将（5）（6）代入（4）得22i=111Q=1-=1-QnimiiQQ热（7）制冷机及其效能设有两个恒温热源，温度各为1T'2T。在这两个具有一定温度的热源之间工作的制冷机可以分为可逆制冷机和和不可逆制冷机两类。相应的有下述结论：（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆制冷机，期制冷系数都相等，与工作物质无关。（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆制冷机，期制冷系数都不可能大于可逆制冷机的制冷系数。制冷机效能，用表示制冷机的效能。设工作物质有高温热源吸收1Q，部分用来对外做功A，部分热量2Q在低温热源处放热。则2221212QQTAQQTT。（8）对于卡诺循环如图表示可分为卡诺正循环和卡诺逆循环。其中按照卡诺循环的顺时针方向进行工作的热机称为卡诺热机，按照诺循环的逆时针方向进行工作的热机称为卡诺制冷机。总结以上对热机和制冷机，尤其是其中应用比较广泛的卡诺热机及卡诺制冷机进行了介绍，并对其效率进行了分析和推导，得出适用于任何卡诺热机的效率公式（5）及适用于任何卡诺制冷机的制冷系数公式（8）。为满足卡诺循环条件的热机及制冷机的相关计算,应用分析的提供精确计算工具集理论指导，同时为研究热机效率及制冷机系数等问题指明了努力方向。参考文献：【1】秦允豪。热学【M】。北京：高等教育出版社。2008【2】靳海芹王筠。《热机及其效率研究》：湖北第二师范学院学报第26卷第8期.