熱機的發展

熱機也叫發動機，是指能把熱轉變成功的機器。人類發明并被大規模使用的熱機主要有蒸汽機、內燃機、噴氣式發動機和火箭發動機。

蒸汽機是英國人薩維利于1698年，紐可門于1705年各自獨立發明的。1765年瓦特在紐可門機的基礎上，對蒸汽機做了重大改進，使蒸汽機實現了現代化，大大提高了蒸汽機的效率。為紀念瓦特的貢獻，功率的單位以其姓氏命名。蒸汽機的發明推進了生產力的發展，解放了生產力，提高了勞動效率，蒸汽機的應用是人類認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革命。

蒸汽機的工作原理是用燃燒煤產生熱量，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動，活塞帶動曲軸將往復運動轉變為轉動；直到19世紀90年代，我們還能看到蒸汽機火車頭在鐵路上急駛。但由于內燃機的熱機效率低，污染嚴重而被淘汰，現在我們只能在博物館中目睹它的風采了。

內燃機是在18世紀初發明的，1801年，法國化學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動機。1862年法國工程師制造了兩沖程發動機，同年法國科學家德羅夏提出了四沖程內燃機的工作原理，德國發明家奧拓在1876年制成了第一臺四沖程發動機。

內燃機的工作原理是將空氣和燃料一同吸入氣缸中，或將空氣吸入氣缸而將燃料噴入，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。內燃機由于體積小，熱機效率高，是現代汽車的主要動力之一。

內燃機根據結構不同可分為兩沖程發動機、四沖程發動機和轉子發動機。兩沖程發動機具有體積小，功率大，結構簡單的優點，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。轉子發動機由于沒有活塞，所以體積更小；曾被用于馬自達著名的RX跑車上，目前也面臨排放的問題。所以現在的汽車和摩托車主要使用四沖程發動機。按所用燃料不同，內燃機也可分為汽油發動機和柴油發動機，汽油發動機響應速度快，主要用于轎車。柴油發動機具有扭矩大的優點，主要用于大型運輸車和輪船上。

渦輪噴氣式發動機是在19世紀初發明的。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動機發明專利，軸流式渦輪噴氣式發動機也在德國誕生。但噴氣式發動機的真正應用是在19世紀50年代的抗美援朝時期；當時我國年輕的飛行員駕駛著米格-15噴氣式戰斗機，打敗了很多參加過第二次世界大戰的美國王牌飛行員。

噴氣式發動機的工作原理是利用壓氣機的高速旋轉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，在燃燒室中連續穩定的燃燒；產生的熱量使氣體迅速膨脹，一部分推動渦輪帶動壓氣機旋轉，另一部分向后高速噴出，產生反作用力，推動飛機前進。噴氣式發動機可分為渦輪噴氣式發動機、渦扇噴氣式發動機、渦輪軸噴氣式發動機和沖壓式噴氣發動機，是現代飛機的主要發動機。正是由于噴氣式發動機的發明，才使飛機進入了超音速時代。

火箭發動機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，所以結構更簡單。工作時使燃料和氧化劑發生燃燒反應，產生的高溫高壓氣體向后噴出，產生推力。

不同的熱機，盡管結構和所用燃料不同，但工作原理都可以歸納為如下過程：熱機工作時需要有兩個熱源，一個高溫熱源和一個低溫熱源，低溫熱源就是我們賴以生存的大氣，熱機在兩個熱源之間工作。熱機首先從高溫熱源處吸收熱量，然后將吸收熱量的一部分轉變為功，另一部分傳遞給低溫熱源，可以看出熱機不能將從高溫熱源處吸收的熱量全部轉變為功，因為有一部分熱量又傳遞給低溫熱源了。我們把熱機轉變成的功和從高溫熱源處吸收的熱量的比值叫熱機效率；熱機的發展歷史也是熱機效率逐步提高的過程。

蒸汽機的熱機效率只有10%左右，也就是說蒸汽機只能把燃燒煤產生的熱量的10%轉變為功，而把剩余的90%熱量傳遞給空氣，即浪費了燃料，又造成了大氣的污染。而內燃機的熱機效率在30%-40%，噴氣式發動機的熱機效率在50%-60%，火箭發動機的效率在70%左右。

隨著熱機的發展，熱機效率在提高，那么，熱機效率還能否再提高，能提高到多少呢？1824年時，法國工程師卡諾從理論上設計出了一部沒有摩擦，活塞沒有重量的理想熱機。經過計算發現，卡諾熱機的熱機效率只和兩個熱源的溫度有關，等于1減去低溫熱源的溫度和高溫熱源的溫度的比值，由于低溫熱源的溫度和高溫熱源的溫度的比值不能為零，所以熱機效率不能達到100%。另外，卡諾熱機也給我們指明了提高熱機效率的途徑，既增加熱機工作時的高溫熱源和低溫熱源的溫度差。低溫熱源大氣的溫度不能改變，所以要想提高熱機效率，除了改進熱機的結構，減少摩擦等因素外，更要提高發動機燃燒室的溫度，發展和改進新型的更耐高溫的材料。

參考文獻：

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

編輯 楊兆東