热机——工业时代的基石
瓦特改进后的蒸汽机效率也不到3%，并且非常笨重复杂，但这已经比用人力和畜力的效果更好了。
导读热机的发明是人类进入现代社会的决定性推动力，我们现在的主要活动都是基于热机提供的能量。不过，热机也是效率最低的一类机器，浪费大量能量的同时还会造成很多环境问题。
01. 所谓热机
热机是把热能转化成机械能的一类机器。从广义上说，凡是可以把其他能量通过热能的形式转化成机械能的装置都可以称为热机，因此，枪炮、炸弹等都是某种形式的热机。不过真正的热机需要连续不断地把热能转化成机械能，所以蒸汽机是公认的第一种实用的热机。
据说在罗马帝国早期，埃及托勒密王朝的亚历山大有一个希腊科学家叫希罗（Hero），他发明了一种“汽转球”，可以把热能转化成机械能，被誉为蒸汽机的原型。这种装置利用的是水汽化后的膨胀做功，但它并不能连续工作，能量转化效率也很低。
中国古代的走马灯也算是一种热机。它利用的是重力引起的自然对流，做功能力非常有限。
到了十七世纪，已经有一些人先后发明了一些蒸汽机的雏形。其中纽科门及其助手卡利在1705年发明的大气式蒸汽机成为实用的蒸汽机，用于矿山抽水，但效率很低。瓦特对其进行了重要的改进，最终发明出工业用的蒸汽机。
蒸汽机是一种外燃机，燃料燃烧把化学能转化为热能，反复地把水汽化和液化，利用水的体积变化来做功。
据估算，瓦特改进后的蒸汽机效率也不到3%，但这已经足够让它成为革命性的发明了。
枪炮是利用火药爆炸产生的气体膨胀来推动弹头的，和内燃机中的燃气膨胀类似，也是一种把化学能通过热能转化成机械能的装置。
内燃机广泛地用在车辆的动力系统和小型发电设备中，目前好的内燃机热效率可达40%或更高，是一种很成熟的热机。
喷气式发动机也是一种热机，其热效率与内燃机相当，但结构更紧凑，相同大小的机器可以产生更大的输出功率。
风力发电机和水力发电机利用的是空气和水的机械能，不是热机。
02. 热机利用气体膨胀做功
热机都是利用热胀冷缩的原理工作的，这几乎是把热能转化成机械能的唯一方法。固体和液体虽然也存在热胀冷缩的现象，但它们的体积随温度变化很小，很难利用，所以实用的热机都是利用气体工作的。蒸汽机中也会存在液态的水，但必须有蒸汽的存在，仅仅是加热的水是没办法对外做功的。
气体的内能是分子热运动的动能，热运动速度与声速相当，所以这个能量是相当巨大的。不过分子们朝向四面八方运动，形不成合力。
要想让分子齐心协力做功，就要让气体整体朝某方向运动，这只能通过膨胀来实现。一个容器中装有气体，放开某个方向的限制，气体就会朝这个方向运动，输出机械功，内能降低。
从力学角度来看，膨胀做功是个势能转化为动能的过程。我们学习势能和动能转化的时候，最常举的例子是自由落体和弹簧压缩。弓箭也是典型的势能转化为动能的装置，拉弓所做的功主要储存在弓背中。松开弦后，弹性力做功把箭发射出去。过程中弓会发热，箭所获得的机械能总是小于人拉弓所做的功。
如果有办法在弓拉满的时候保持住位置的同时增加弓背的弹性模量，就可以有更大的弹性力把箭射出去，使箭获得的机械能大于人拉弓所做的功。这听起来有点像永动机，真有这种办法吗？
答案是有办法，也不违反热力学定律，因为这需要额外输入功或者热。下图表示了用气体作为弹性介质的一种弓的设想，不妨称之为“气弓”。如果在拉满弓的时候给气缸加热，气体温度上升，弹性模量就增大。当箭发射时，一部分能量来自加热提供的热能，箭获得的动能就可以明显大于拉弓所做的功，这样的弓可以称为“火弓”。
实用的热机都是连续工作的，通过某种循环来不断地把热能转化为机械功输出。“火弓”通过压缩→加热→膨胀实现了单次机械功输出，如果把箭换为连杆和飞轮，用飞轮的惯性带动连杆重新压缩气缸，就可以连续工作了吗？
答案是不行。因为膨胀后气体剩余的温度还是高于压缩前，对应的弹性模量大，压缩它需要的功比之前冷态压缩那一次要高。因此，即使一开始拉弓给予了很大的能量，也会在几次循环后就耗尽，使整个运动停下来。
所以，需要把气缸里的气体冷却后再压缩才行。这个冷却环节白白地损失掉了一些能量，这也是热机的效率都不高的原因。更麻烦的是气体很难冷却那么快，实用的热机通常采取把热气排掉，重新吸入冷气的工作方式。
03. 内燃机和燃气轮机
机可以分为外燃机和内燃机，蒸汽机和蒸汽轮机都是外燃机，也就是参与燃烧的气体是隔着壁面对内部的工质气体加热。而汽车的汽油发动机和柴油发动机，以及飞机的喷气发动机则是内燃机，也就是燃烧在工质内发生，燃气直接参与做功。
不过，一般所说的内燃机特指活塞内燃机，燃气轮机单独算一类。
大家来猜猜下面这个是什么东西呢？
提示一下，这个可以称为“汽车钥匙”。
目前核能的和平利用都是通过热机实现的，下图是一个核动力航母的动力系统示意图。核反应堆在运行中产生的热能用来加热锅炉中的水，产生的蒸汽用于推动蒸汽涡轮输出功。之后水再经过冷凝器冷却后回到锅炉重新加热。核电厂和这个类似，也是靠蒸汽轮机来发电的，热机是其中最重要的一环。
04. 热机的效率
总的来说，热机是一类效率较低的能量转换装置，这也是没办法的事，因为热能本来就是一种很不好利用的能量。热机的效率是指热机把吸收到的热能转化为功输出的比例。当没有任何流动和换热损失时，热机的效率表达式为：
式中， T1 为热机吸热的热源温度；T2 为热机放热的环境温度。这个公式只适用于吸热和放热过程热源和环境为恒温的情况。
可见，只要气体温度不降低到绝对零度附近 （T2→0），热机的效率就不会太高。
常见的热机中，蒸汽机的效率只有5% 左右，蒸汽轮机的效率约为30%，好的内燃机效率接近40%，燃气轮机的热效率与内燃机相当或稍高一点。与此对比，电动机的效率可达90% 以上。
不过电能多数也是靠热机转化来的，所以总的来说人类利用能源的效率是很低的。
内燃机和燃气轮机的效率与它们压缩空气的程度有关。下图表示了不考虑损失时，这两种热机的效率与压缩比的关系。可见压
缩比越高效率就越高，汽油发动机的压缩比一般为10左右，柴油发动机的压缩比可达20左右，燃气轮机的压缩比可以超过40。
热机效率低是它的主要缺点，不过这个问题要看怎么理解。热机是把从高温传到低温的热量截留一部分用来做功了。用这种原理必须保证原有的能量流动还能顺利进行，所以必须给人家留一部分能量排掉，不能都给用了。
可以参照风力发电的过程来理解热机的效率，气流的动能用来推动风力发电机旋转发电，经过风力发电机后气流仍然要有一定的流速，才能流入下游。所以风力发电机获得的能量只占风能的一部分，根据理论可得最大的风能利用系数是 59.3%，目前应用的风力发电机只能达到40%左右。从这个角度说，风力发电机与热机的效率相当。
05. 总结
热机主导了第一次工业革命，并且仍然是目前所谓的第四次工业革命的基石，所以热机的重要性不言而喻。但由于热机带来了很多的环境问题，比如碳排放和空气污染，人们对热机爱恨交加，但在可见的未来还找不到替代的方式。
除非我们愿意回到古代生产力低下的简单生活，用人力、畜力、水力和风力工作，热机是无法摆脱的了。
