热机——工业时代的基石

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。

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。

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。

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。

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。