【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第八章熱機(jī)

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的?！?/span>

§8-5熱機(jī)的組成部分，熱機(jī)的效率

【】從鍋爐和蒸汽機(jī)的工作過程，可以清楚地看到燃料和工質(zhì)是熱機(jī)進(jìn)行工作所必需的物質(zhì)條件。為了能夠連續(xù)不斷地完成能量的轉(zhuǎn)變，熱機(jī)必須包括三個組成部分——發(fā)熱器、工作部分和冷凝器。發(fā)熱器是使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)內(nèi)能的裝置。工作部分是工質(zhì)膨脹做功的裝置，在這里工質(zhì)的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪堋＠淠魇侨菁{由工作部分排出的廢工質(zhì)的裝置，廢工質(zhì)中總是帶有部分的內(nèi)能。熱機(jī)的種類很多，不同類型的熱機(jī)其構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)變的方式也是不同的，但是這三個基本部分卻總是具備的。

【】下面我們就按照熱機(jī)的三個組成部分來研究熱機(jī)的效率。

1、燃燒效率

【】燃料在發(fā)熱器中燃燒時，往往由于設(shè)備不夠完善而不能完全燃燒，同時也不可能把燃燒時所釋放的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的內(nèi)能。設(shè)燃料經(jīng)過完全燃燒所能夠放出的熱量是 Q，傳遞給工質(zhì)的熱量只有 Q? 那么燃燒效率：? 。

【】因為燃料的燃燒過程是在鍋爐中進(jìn)行的，所以燃燒效率也稱為鍋爐效率。

2、熱效率

【】工質(zhì)從發(fā)熱器吸收到的熱量 Q?，在做功時并不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其中總是有一部分熱量 Q? 要被廢工質(zhì)帶出熱機(jī)的工作部分。所以轉(zhuǎn)變成機(jī)械功的凈熱量是 Q?－Q?，而熱機(jī)的熱效率：? 。

3、機(jī)械效率

【】由熱量?Q?－Q? 轉(zhuǎn)變而成的機(jī)械功不能全部傳到發(fā)動機(jī)的機(jī)軸上作為輸出的有用功，其中有一部分要消耗在傳動裝置上，例如消耗在活塞、十字頭、曲柄以及轉(zhuǎn)動軸等處的摩擦上。因此傳到機(jī)軸上的與有用功相當(dāng)?shù)臒崃?Q?，又是?Q?－Q? 中的一部分。所以熱機(jī)的機(jī)械效率：? 。

4、熱機(jī)的總效率

【】熱機(jī)的總效率又叫做熱機(jī)的經(jīng)濟(jì)效率，或有效效率，有時也簡稱為效率。它是與最后轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)軸上有用功相當(dāng)?shù)臒崃?Q? 跟燃料完全燃燒時所能夠放出的熱量 Q 的比值，通常用百分比來表示，所以熱機(jī)的總效率：? 。

【】很容易看出，，

【】也就是說?。

【】我們可以用一個具體的例子來說明熱機(jī)各部分的效率。

【】在現(xiàn)代的蒸汽機(jī)中，1千克煤完全燃燒后，產(chǎn)生7000千卡的熱量，它大致分配如下：

【】(1)鍋爐損失 1400 千卡?！?鍋爐的效率＝? 。

【】(2)汽管傳送蒸汽時損失 280 千卡。

【】(3)蒸汽在汽管和汽缸里液化時損失 950 千卡。

【】(4)廢汽帶走的熱量 3409 千卡。

【】蒸汽在汽缸里損失的熱量總共是 280＋950＋3409＝4639千卡，

【】轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量是 5600－4639＝961千卡，∴ 熱效率＝? 。

【】(5)機(jī)械各部分摩擦損失 170 千卡，∴ 機(jī)械效率＝? 。

【】(6)與有用功相當(dāng)?shù)臒崃渴?791 千卡，熱機(jī)的總效率＝，或? 。

【】提高熱機(jī)效率的方法：從上面的例子中，可以看到蒸汽機(jī)的效率是很低的，目前最好的蒸汽機(jī)，其效率也不過在 15% 左右。所以提高熱機(jī)效率一直是熱力工程中的一個重要任務(wù)，一般是從提高熱機(jī)的燃燒效率、熱效率和機(jī)械效率三方面著手的。

【】首先是改進(jìn)鍋爐的裝置來提高熱機(jī)的燃燒效率問題。這可以用煤粉來代替煤塊，將煤粉噴入火室中，并輸入熱空氣以幫助燃燒，使煤能更完全地燃燒。同時改進(jìn)水管鍋爐的構(gòu)造，增加水的受熱面積，以及利用省煤器、空氣預(yù)熱器等等，所有這些都為提高鍋爐的燃燒效率提供了條件。

【】其次是提高發(fā)熱器的溫度、壓強(qiáng)和減小冷凝器的溫度、壓強(qiáng)，借以提高熱機(jī)的熱效率。

【】法國工程師卡諾在理論上研究了熱機(jī)效率，并提出了沒有熱損失和摩擦損失的、熱效率最高的理想熱機(jī)的模型。理想熱機(jī)熱效率的計算公式是，其中 T? 代表發(fā)熱器的絕對溫度，T? 代表冷凝器的絕對溫度。公式指出了提高熱機(jī)熱效率的主要途徑，這就是提高 T? 減小 T?? 。因此，現(xiàn)在鍋爐正朝著高溫高壓方向發(fā)展。在鍋爐中都用過熱器來提高蒸汽的溫度和壓強(qiáng)，并且用提前閉汽、多級膨脹、減低冷凝器壓強(qiáng)等方法來降低廢汽的溫度，從而提高了熱效率。

【】最后，也可以用改進(jìn)機(jī)械組合，使用潤滑油等方法來減小摩擦，提高機(jī)械效率，從而使熱機(jī)的總效率提高。

【】除了增大熱機(jī)的效率外，還可以充分地利用廢汽所帶走的熱量，這雖然不是提高熱機(jī)的效率，但是從能量的利用來說，還是很有價值的。我們可以將汽缸排出的廢汽直接送到染織、紡織、化工等工廠供加熱和其他生產(chǎn)過程使用。同時，也可以將冷凝器中排出的熱水通過熱水管送往生產(chǎn)單位或宿舍供應(yīng)生產(chǎn)或生活上的使用。這樣就可以大大地減少能量的損失，使燃料中所釋放的化學(xué)能得到充分的利用。

例1.蒸汽機(jī)活塞的直徑是 49 厘米，沖程是 1 米，蒸汽的平均壓強(qiáng)是 2 公斤/厘米2，計算工質(zhì)每膨脹一次時，對活塞所做的功。

【解】如果要用示功圖來計算蒸汽每膨脹一次所做的功，就必須先知道汽缸中每一時刻的壓強(qiáng)，然后才能從作出的 P-V 圖中求出功，但是為了使運(yùn)算簡易起見，我們可以用平均壓強(qiáng)乘以行程中的距離來粗略地計算蒸汽每膨脹一次所做的功。

????????活塞的面積?。

????????活塞上所受到的力 F＝AP＝1884.785×2 ≈ 3769.6公斤，

????????工質(zhì)每膨脹一次，對活塞所做的功W＝?F·S＝3769.6×1＝3769.6公斤?米。

例2.在ㄇㄎ?型機(jī)車的蒸汽機(jī)中，活塞的面積是 2640 厘米2，活塞的沖程是 71 厘米，當(dāng)蒸汽進(jìn)入汽缸時的壓強(qiáng)是 14 公斤/厘米2，活塞移動到?jīng)_程的 1/5 位置時停止送汽，在其余 4/5 沖程上活塞是靠蒸汽膨脹移動的。假定蒸汽壓強(qiáng)的減小是均勻的，當(dāng)活塞移動到?jīng)_程終點時蒸汽的壓強(qiáng)減小到 2 公斤/厘米2。求一個沖程中蒸汽所做的功。

【解】解這一題能使我們更具體地理解這種蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)和它的工作過程。

????????(1)先計算斷汽前蒸汽對活塞所做的功。

????????得斷汽以前蒸汽對活塞的壓力為F?＝P?A＝14×2640＝36,960公斤，

????????活塞移動的距離為?，

????????蒸汽所做的功為 W?＝36,960×0.14＝5174公斤·米。

????????(2)計算斷汽后蒸汽對活塞所做的功。

????????由于假設(shè)斷汽后蒸汽膨脹時壓強(qiáng)的降低是均勻的，所以蒸汽的平均壓強(qiáng)為。

????????斷汽以后蒸汽對活塞的平均壓力為 F?＝P?A＝8×2640＝21,120公斤，

????????活塞移動的距離為，

????????這時蒸汽所做的功為 W?＝21,120×0.57＝12,038公·米。

????????在一個沖程中蒸汽所做的功是 W＝W?＋W?＝5174＋12,038 ≈ 1.72×10?公斤·米。

例3.(1)蒸汽機(jī)鍋爐里的水溫為 100°C，水管里的水要在 250℃ 沸騰，這時它的汽化熱是 408 卡/克。如果蒸汽生產(chǎn)量是 550 公斤/小時，而產(chǎn)生 280°C 的過熱蒸汽（比熱 0.5 卡/克·度），用去煤（燃燒值 7000 千卡/公斤）60 公斤。求鍋爐效率。

(2)假使把這些蒸汽通過汽缸，使它做機(jī)械功，功率是 100 馬力，求熱效率。

(3)蒸汽機(jī)的活塞半徑是 10 厘米，沖程是 50 厘米，飛輪轉(zhuǎn)速是 150 次/分，求活塞上的平均壓強(qiáng)。

(4)整個裝置的機(jī)械損失功率是 10 馬力，求機(jī)械效率。

(5)求這臺熱機(jī)的總效率。

【解】

????????(1)求燃燒效率：

????????1) 550 公斤水從 100°C 上升到 250°C 時所需要的熱量是 550×(250－100)×1＝82,500千卡。

????????2) 550 公斤水在 250℃ 化為 550 公斤的飽和汽所需的熱量是 250°C 時水的汽化熱是 408 千卡/公斤，550×408＝224,400千卡。

????????3) 250°C 飽和蒸汽在過熱器中變?yōu)?280℃ 的過熱蒸汽所需要的熱量是 550×(280－250)×0.5＝8250千卡。

????????4)產(chǎn)生 550 公斤 280°C 的過熱蒸汽一共需要的熱量是82,500＋224,400＋8250＝315,150千卡。

????????5) 60 公斤煤所發(fā)出的熱量是 60×7000＝420,000千卡。

????????6)?? 。

????????(2)求熱效率：

????????功率 100 馬力在 1 小時所做的功是 W＝Nt＝100×75×3600＝27,000,000公斤·米。

????????相當(dāng)于 100 馬力做 1 小時功的熱量：，?? 。

????????(3)求活塞土的平均壓強(qiáng) P：

????????W＝FS＝PAS＝P π r2 S? 。

????????因為飛輪每分鐘轉(zhuǎn) 150 次，即每秒鐘轉(zhuǎn) 2.5 次，每次來回 2 沖程，每轉(zhuǎn)一周，活塞向左向右各移動一次，所以每秒鐘作 5 沖程。N＝5W＝5P π?r2 S，。

????????(4)求機(jī)械效率：

????????功率為 100 馬力，損失 10 馬力，尚有 90 馬力的功轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Α?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=%5Csmall%5Ceta%20_%E6%9C%BA%3D%5Cfrac%7B90%7D%7B100%7D%20%3D90%EF%BC%85" alt="%5Csmall%5Ceta%20_%E6%9C%BA%3D%5Cfrac%7B90%7D%7B100%7D%20%3D90%EF%BC%85">? 。

????????(5)這臺熱機(jī)的總熱率：?。

習(xí)題8-5

1、熱機(jī)在構(gòu)造上有哪些基本組成部分？各部分的作用怎樣？

2、什么叫做熱機(jī)的熱效率？如何來提高熱機(jī)的熱效率？

3、什么叫做熱機(jī)的機(jī)械效率？什么叫做熱機(jī)的總效率？怎樣計算熱機(jī)的總效率？

4、蒸汽鍋爐里盛有 100℃ 的水，水管里的水在 300°C 時沸騰，它的汽化熱是 300 卡/克，蒸汽的生產(chǎn)量是 600 公斤/小時，每一小時用煤（燃燒值 7000 千卡/公斤）60 公斤。

(1)求鍋爐的效率。【70%】

(2)假使把這些蒸汽通過汽缸，使它轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，功率是 100 馬力，求熱效率?！?0%】

(3)蒸汽機(jī)的活塞半徑是 10 厘米，沖程是 50 厘米，飛輪的轉(zhuǎn)速是 150 次/分，求活塞上的平均壓強(qiáng)。【9.6公斤/厘米2】

(4)整個裝置的機(jī)械損失功率是 10 馬力，求機(jī)械效率?！?0%】

(5)這臺熱機(jī)的有效效率是多少？【≈13%】

5、蒸汽機(jī)圓形活塞的直徑是 49 厘米，沖程是 1 米，蒸汽平均壓強(qiáng)是 2 公斤/厘米2，飛輪每分鐘轉(zhuǎn)動 120 次，如果蒸汽機(jī)的機(jī)械效率是 85%，求(1)在一個沖程內(nèi)蒸汽所做的功，(2)有用功率?！尽?600公斤·米，≈174馬力】