質疑傳統發動機理論熱效率的立足之本

劉祖川

成都雙鏇動力科技有限公司 四川省成都市 610000

1 引言

機械轉換損失、廢氣帶走損失、傳熱冷卻損失等三大發現的強力沖擊（見“從機械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破”），促使人們再度關注難堪重用、無人問津的理論熱效率，其背后支撐熱力學第二定律第二種表述引發了一系列矛盾：首先，理論熱效率的定義式公然違背熱力學第一定律；其次，理論熱效率熱力循環架構中的低溫熱源竟然偷梁換柱；再次，理論熱效率定義式分子凈功中低溫熱源與熱力循環可逆過程是否存在熱量損失的矛盾；從次，明明由膨脹、壓縮功直接就可定義有效熱效率，卻為何繞道利用高、低溫熱源定義理論熱效率？等等。尤其是有效熱效率現實和當下數據的不斷提高，直接危及到理論熱效率的“天花板”，其背后支撐熱力學第二定律同樣難逃厄運。

2 焦點之爭

根據熱力學第二定律，即使沒有熱量損失，循環發動機也不能100%的完全熱-功轉換，例如汽油機的理論熱效率在沒有任何熱量損失的狀態下硬生生降低到50%多[1]；然而根據熱力學第一定律，只要沒有熱量損失，任何熱機（包括循環發動機）都可100%的完全熱-功轉換。兩大定律發生正面沖撞。

按照第二定律，高溫熱源所提供的熱量，不可能全部轉換為機械功，不可避免地釋放部分熱量給低溫熱源，這部分熱量就是作為低溫熱源的廢氣帶走熱量，并且沒有任何損失地白白流失掉了；然而按照第一定律，釋放給低溫熱源的廢氣帶走熱量是來自高溫熱源的部分熱量，這部分熱量流失當然就是高溫熱源的熱量損失。低溫熱源是否為熱量損失，則成為兩大定律的爭鋒焦點，而作為低溫熱源的廢氣帶走熱量則成為低溫熱源是否為熱量損失的試金石。

高、低溫熱源是理論熱效率體系熱力循環架構中不可或缺的核心關鍵，關系到理論熱效率定義式的成立與否；進而關系到理論熱效率的成立與否，從而關系到兩大熱力學定律的爭鋒對決。

2.1 定義沖撞

凈功=高溫熱源-低溫熱源

上述等式為理論熱效率定義式中的分子凈功，是根據熱力學第一定律而來[2]，即凈功應等于高溫熱源所吸收的熱量減去低溫熱源所消耗的熱量，所消耗的熱量就是熱量損失。然而，這與熱力循環的可逆過程發生沖突，因為可逆過程是沒有熱量損失的過程，出現悖論，自相矛盾。由于熱力循環可逆過程的背后支撐為熱力學第二定律，那么凈功等式應符合熱力學第一定律還是符合熱力學第二定律，由此引發兩大定律正面沖撞。

能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，任何熱量效率定義都應符合能量守恒定律，理論熱效率也概莫能外。由于熱力學第一定律是熱力學過程中的能量守恒定律，所以理論熱效率也應符合熱力學第一定律。因此，理論熱效率定義式中的分子凈功應符合熱力學第一定律，并且凈功等式中的低溫熱源所消耗的熱量應為熱量損失。既然熱力學第二定律是熱力學第一定律的補充，就不應違背熱力學第一定律。

第一輪下來熱力學第二定律完敗。看來，建立在觀測和總結大量實驗結果基礎之上的熱力學第二定律很難抗衡脫胎于能量守恒定律的熱力學第一定律。

2.2 熱力循環

理論熱效率的體系架構是熱力循環，為了構成循環，需要沒有熱量損失的可逆過程，為了維持循環，需要接受外來功。然而，“外來功”卻在熱力循環架構中被替換成了低溫熱源，而按照熱力循環的可逆過程，低溫熱源的熱量不應是熱量損失，但“外來功”需要消耗來自高溫熱源的熱量，“外來功”消耗的熱量就是熱量損失，所以充當“外來功”的低溫熱源也應是熱量損失，熱力循環不計熱量損失的可逆過程面臨質疑。

如果低溫熱源的熱量是熱量損失，就不能用于可逆過程的熱力循環。換言之，熱力循環是具有熱量損失的過程，屬于不可逆過程，即具有可逆過程的熱力循環不存在，那么理論熱效率的熱力循環架構不存在，理論熱效率不存在，進而其背后支撐熱力學第二定律不存在，則熱力學第二定律“不能100%的完全熱-功轉換”不成立。

觀察p-V圖，凈功的封閉面積可以視為無熱量損失的可逆過程，但維持熱力循環的“外來功”卻是實實在在的熱量損失，且作為凈功的減除對象不可或缺。所以“凈功等式”則是具有熱量損失的不可逆過程，而非沒有熱量損失的可逆過程，故熱力學第二定律“不能100%的完全熱-功轉換”不成立。

并且，維持循環的“外來功”本應是壓縮功，與之相應的是膨脹功，與高、低溫熱源無關，可逆過程的熱力循環不存在。而“理論熱效率”定義式中的分子凈功應為

凈功=膨脹功-壓縮功（見“2.1定義沖撞”）。

第二輪下來熱力學第二定律又吃敗仗。熱力學第二定律再遭重挫。

2.3 廢氣熱量

作為低溫熱源的廢氣帶走熱量，則在理論熱效率的體系架構中扮演著重要角色。

首先，廢氣帶走熱量充當理論熱效率定義式分子凈功中的低溫熱源，且由于可逆過程而不是熱量損失，然而，廢氣帶走熱量是“公認”的熱量損失，并在熱平衡構成中占據高達40%的最大占比。

其次，理論熱效率的定義式中分子凈功減除的是作為低溫熱源的廢氣帶走熱量損失，卻又因熱力循環的可逆過程而否認。

再次，如此重要的廢氣帶走熱量損失，但在整個理論熱效率的體系構建及其公式中只字未提，卻以最大占比出現在熱平衡中。

任何熱機，無論出于什么循環的熱力學模型，從燃燒總熱量到輸出凈功均需構成熱平衡，即需要與燃燒熱量損失構成熱平衡，或者熱平衡中需有燃燒熱量損失。然而，理論熱效率體系中卻缺少傳熱冷卻熱量損失，無法構成熱平衡。因此，無論廢氣帶走熱量是否為熱量損失，理論熱效率都無法構成熱平衡。

實際上廢氣帶走熱量不是熱量損失。拋開循環過程，單從膨脹作功過程來看，廢氣帶走熱量是發動機有效功的驅動熱量，且廢氣帶走熱量處于膨脹功之后，與燃燒熱量損失無關，故不是熱量損失（見“從機械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破”）。

廢氣帶走熱量損失和壓縮功熱量損失都比較大，按照43%的有效熱效率，壓縮功熱量損失占比約為17.4（見“2.10 平衡構成”），與高達40%的廢氣帶走熱量損失之和大于50%，熱平衡不允許兩大損失并存，尤其是占比更大的廢氣帶走熱量損失，即使沒有壓縮功熱量損失，過低的理論熱效率“天花板”也難以承受有效熱效率現實和當前數據不斷提高的強力沖擊。在有你沒我、有我沒你的二選一中，只能剔除占比更大的廢氣帶走熱量損失。

綜上所述，無論廢氣帶走熱量如何攪合，低溫熱源都應是熱量損失。

飄忽不定，雜亂無章。第三輪下來熱力學第二定律雖未直接對陣交手，但丟分不少。

2.4 實際循環

根據發動機熱平衡，從燃料燃燒獲取的燃燒熱量應等于有效功熱量與各種熱量消耗之和。其中，消耗熱量包括燃燒損失和機械損失，但理論熱效率的構建過程中卻回避了燃燒損失，并在其上疊加實際循環過程及其燃燒損失，將原本較低的理論熱效率再壓低至指示熱效率，不僅有悖于理論熱效率既是實際循環也是理想循環的適用范圍，還違背了熱平衡。

由燃燒熱量轉換而來的膨脹功，同時決定著動力輸出，與有效功成一一對應的正比關系，之外疊加的實際循環過程與此無關。換言之，膨脹功是在除去各種燃燒損失后形成的，是有效功的驅動功,無論理論熱效率或者指示熱效率如何調整，都不會改變已經完成熱-功轉換了的膨脹功，更不會改寫有效功，故實際循環過程不存在。

虛無縹緲，無中生有。第四輪下來熱力學第二定律更加被動不利。

2.5 現實數據

目前汽油機和柴油機的有效熱效率已經達到的40%和50%均已分別超過30%～40%和40%～45%指示熱效率的給定值，而加上機械熱量損失占比后，54%～58%和64%～67%的理論熱效率給定值也將面臨突破。

如果考慮機械轉換損失（見附件），指示熱效率大于有效熱效率與機械轉換損失占比之和，而有效熱效率與機械轉換損失占比之和遠大于理論熱效率，故指示熱效率遠大于理論熱效率。

打破理論熱效率“天花板”，僅是人們的認知問題。

第五輪下來熱力學第二定律已無還手之力。

2.6 當前數據

機械轉換損失、廢氣帶走損失、傳熱冷卻損失等三大發現的強力沖擊以及壓縮功的載譽回歸，迫使理論熱效率大幅突破（見“從機械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破”）。

理論熱效率“天花板”早已被打翻在地。第六輪下來熱力學第二定律又遭重創。

2.7 不同結果

T-s圖中的封閉面積1-2-3-4-1是理論熱效率定義式中的分子凈功1（見圖1），其值等于面積為s1-2-3-s2-s1的高溫熱源與面積為s1-1-4-s2-s1的低溫熱源之差，T1為高溫熱源的平均溫度，T2為低溫熱源的平均溫度。上圖相應的p-V圖中的封閉面積1-2-3-4-1是凈功2（見圖2），其值等于面積為V1- V2-3-4-V1的膨脹功與面積為V1-V2-2-1-V1的壓縮 功之差，p1為膨脹功的平均壓力，p2為壓縮功的平均壓力。其中，T-s圖中的1點、2點、3點、4點的溫度分別為360K、675K、2500K、1350K，p-V圖中的1點、2點、3點、4點的壓力分別為0.086MPa、1.4MPa、5.5MPa、0.45MPa，則平均溫度T1約為1418K，平均溫度T2約為710K，平均壓力p1約為1.96 MPa，平均壓力p2約為0.43MPa，由高、低溫熱源定義的理論熱效率=（T1-T2）/T1=50%，由膨脹、壓縮功定義的“理論熱效率”=（p1-p2）/p1=78%。

圖1

圖2

同一組數據為何出現兩種不同結果？

觀 察T-s圖 和p-V圖，兩 個 圖 中 的封閉面積相等，即凈功1=凈功2，T1-T2=p1-p2，但T-s圖 中 封 閉 面 積 比p-V圖中封閉面積的位置更高。令T1在數值上等于p1，則兩個“理論熱效率”由于T1-T2=p1-p2而相等，即（T1-T2）/T1=（p1-p2）/p1，假 設T2+△T，由于T1、T2均與s軸平行，且T1-T2恒等，則T1也同時增大△T，那么由高、低溫熱源定義的理論熱效率，有[（T1+△T）-（T2+△T）]/（T1+△T）=（T1-T2）/（T1+△T）＜（p1-p2）/p1。由高、低溫熱源構成的封閉面積位置高于由膨脹、壓縮功構成的封閉面積，導致由高、低溫熱源定義的理論熱效率低于由膨脹、壓縮功定義的“理論熱效率”。致使由高、低溫熱源定義的理論熱效率遠低于由膨脹、壓縮功定義的“理論熱效率”，完全是由于低溫熱源遠高于壓縮功所致。

同等凈功出現不等的“理論熱效率”，到底哪個是真實有效的“理論熱效率”？假設理論熱效率是真實有效的，則理論熱效率必須唯一，然而卻與兩個不等的理論熱效率發生矛盾，故理論熱效率不具真實性。

理論熱效率是潰于蟻穴還是子虛烏有，無關緊要。第七輪下來熱力學第二定律已無地自容。

2.8 邏輯數據

只需簡潔、明確、有效的膨脹作功過程即可達成的效率體系，理論熱效率卻要涉足多個過程的熱力循環？

由膨脹、壓縮功直接就可定義有效熱效率，卻要繞道利用高、低溫熱源定義理論熱效率？理論熱效率多此一舉，那么其背后支撐熱力學第二定律又有何用？

實際循環過程中所列的各種損失并未包括廢氣帶走熱量損失，而熱平衡給出的廢氣帶走熱量損失卻高達40。

實際循環過程給出4的傳熱冷卻熱量損失與熱平衡給出近20的傳熱冷卻熱量損失嚴重不符。

邏輯混亂，時有時無。第八輪下來熱力學第二定律不戰自潰。

2.9 熱量損失

作為低溫熱源的廢氣帶走熱量到底是不是熱量損失？

由高、低溫熱源定義的理論熱效率，低溫熱源不是熱量損失，但由膨脹、壓縮功定義的“理論熱效率”，壓縮功熱量則是實實在在的熱量損失。兩個相等凈功的減除對象，一個不是熱量損失；一個是熱量損失，“低溫熱源不是熱量損失”的質疑之聲再度掀起。低溫熱源是從外部接受的功并向其自身（通常是大氣）排出的熱量，“從外部接受的功”除了壓縮功熱量外，還有其他“外部功”嗎？而壓縮功則是實實在在的“從外部接受的功”，“低溫熱源不是熱量損失”的質疑之聲愈加高漲。

此時作為低溫熱源的廢氣帶走熱量應是熱量損失，但事實上廢氣帶走熱量又不是熱量損失（見“從機械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破”）。

無論廢氣帶走熱量是否為熱量損失，都不能將廢氣帶走熱量作為低溫熱源，因為低溫熱源自身就是熱量損失，與廢氣帶走熱量是否為熱量損失無關。

嘗試更改低溫熱源的表述，“低溫熱源是從外部接受的功并向其自身（通常是大氣）排出的熱量”，更改為“低溫熱源是從外部接受的功并消耗了來自高溫熱源的部分熱量”。“來自高溫熱源的部分熱量”用于“從外部接受的功”，而非“排出的熱量”，對于高溫熱源來說，低溫熱源所消耗的這部分熱量就是熱量損失。

由于低溫熱源的熱量損失與熱力循環不計任何損失的可逆過程矛盾，作為低溫熱源的熱量損失不能用于定義理論熱效率，建立在熱力循環可逆過程之上的理論熱效率即不存在也沒有實際意義，而取而代之的則是膨脹、壓縮功，進而直接就可建立有效熱效率。

無論低溫熱源是否為熱量損失，都不能用來定義理論熱效率，因為作為低溫熱源的應是壓縮功，而非偷梁換柱的廢氣帶走熱量。因此，高、低溫熱源不能用于定義理論熱效率，只能由膨脹、壓縮功定義“理論熱效率”，但由膨脹、壓縮功定義的“理論熱效率”不是理論熱效率，而是具有實際意義但不具有實用性的凈膨脹功熱效率。

第九輪下來熱力學第二定律這尊沙丘樓閣只差最后一根稻草。

2.10 平衡構成

熱平衡構成由于壓縮功熱量的加盟以及機械轉換熱量、廢氣帶走熱量、傳熱冷卻熱量的三大發現而耳目一新。

熱平衡構成中已無廢氣帶走熱量損失，取而代之的是壓縮功熱量損失，該損失約為膨脹功熱量的22%（見“2.7 不同結果”）。以43%有效熱效率為例，有效功熱量為43；以摩擦為主的機械熱量損失估測為6；機械轉換熱量損失約為30.1；上述三者之和為膨脹功，其值約為79.1，則壓縮功約為17.4，傳熱冷卻熱量損失約為3.5（見“從機械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破”）。

除了有效功熱量外其余都是熱量損失，各項熱量之和等于燃燒熱量，構成熱平衡，完全符合熱力學第一定律。而廢氣帶走熱量損失則沒有丁點兒容身之地。

指示熱效率高達79%，遠超理論熱效率，不僅沒有廢氣帶走熱量損失的容身之地，也沒有理論熱效率的容身之地。

最后一輪下來熱力學第二定的最后一根稻草也被扯下。

兩大定律的焦點之爭，以熱力學第二定律徹底完敗告終，而熱力學第一定律則以能量守恒普遍奉行的基本準則牢牢把控著熱力學邊界，不容摻和半點砂礫。

3 嚴峻挑戰

無論是現實數據還是當前數據，理論熱效率“天花板”都會被打翻在地；無論是定義沖撞還是熱力循環，熱力學第二定律都會被置于死地；無論是廢氣熱量還是熱量損失，都與熱力循環的可逆過程不符；無論是實際循環還是邏輯數據，理論熱效率都會被置于尷尬境地，而熱平衡構成更是坐實了熱力學第二定律跌落神壇的命運。

理論熱效率正在面臨全線崩潰的嚴峻挑戰，熱力學第二定律正在面臨跌落神壇的熔爐灼烤。

隨著理論熱效率的轟然倒下，有悖于熱力學第一定律的熱力學第二定律需要重新審視，其兩條經典表述成為探本窮源的破解關鍵。第一種表述：熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。沒有違背熱力學第一定律。問題出現在第二種表述：不可能從單一熱源獲取熱量使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響。問題點出現在“完全轉換”上，如果換一種說法則更為明確，高溫熱源提供的熱量無論如何不可能全部轉為機械功，其中不可避免地要有一部分熱量傳遞到低溫熱源，也就是說，即使沒有熱量損失，熱量也不可能全部轉為機械功，例如理論熱效率的降比很大，且沒有任何熱量損失。由于理論熱效率體系的構建依據主要是熱力學第二定律的第二種表述，則熱力學第二定律公然違背熱力學第一定律。

建立在觀測和總結大量實驗結果基礎之上的熱力學第二定律本就子虛烏有，違背脫胎于能量守恒定律的熱力學第一定律更是以卵擊石，自取滅亡。

維持熱力循環的低溫熱源是“從外部接受的功”，該功消耗了來自高溫熱源的部分熱量，對于高溫熱源來說，低溫熱源所消耗的這部分熱量就是熱量損失，“從外部接受的功”是壓縮功，而非作為低溫熱源的廢氣帶走熱量。熱力循環是具有熱量損失的不可逆過程，具有可逆過程的熱力循環不存在，理論熱效率的熱力循環架構不存在，熱力學第二定律的第二種表述“不能100%的完全熱-功轉換”不存在。

由廢氣帶走熱量充當的低溫熱源所建立起來的理論熱效率沒有任何意義，而由膨脹、壓縮功定義的“理論熱效率”具有實實在在的實際意義，可稱之為膨脹凈功熱效率，或者凈膨脹功熱效率，不是理論熱效率。即便是具有實際意義的凈膨脹功熱效率，也沒有什么實用性，理論熱效率更是海市蜃樓、一紙空文。

熱力循環架構下的高、低溫熱源成為扳倒理論熱效率的頭等功臣。維持循環的“外來功”被替換成了“低溫熱源”，不存在熱力循環可逆過程，效率體系架構整體錯位，理論熱效率大錯特錯。

“外來功”本應是壓縮功，而非“低溫熱源”，更不是“廢氣帶走熱量”。

4 結語

熱力學第二定律由于其第二種表述在理論熱效率定義式的分子凈功上違背熱力學第一定律而不能成立。熱力學第二定律支撐下的理論熱效率由于其定義式分子凈功中的低溫熱源應是熱量損失與熱力循環不計熱量損失的可逆過程發生矛盾而不能成立，又由于作為低溫熱源的本應是壓縮功而非廢氣帶走熱量的偷梁換柱而再遭重挫。再加上有效熱效率現實和當前數據不斷提高的強力沖擊，理論熱效率的“天花板”終究會被打翻在地，其背后支撐熱力學第二定律也將跌落神壇。

理論熱效率成立與否無關緊要，但支撐理論熱效率的熱力學第二定律不成立，則令人大惑不解，無奈本文研力有限，難以深入研展，還望廣大專業人員及時跟進、破繭成蝶。好在已有全新路徑上的先發者，重新構建了有效熱效率的體系雛形（見“重構傳統發動機的效率體系”），啟迪、激發為之奮斗的后來者，為燃油發動機昔日百年輝煌的再度重現開創否極泰來的時代機遇。