热机效率公式_热机效率计算公式_卡诺热机效率公式

作者按：笔者前后发表的几篇有关可再生能源新概念的文章，主轴是利用环境温度乃至冷来发电。方法无外乎是一个制冷循环，加一个ORC(有机郎肯)循环。认真思考热力学第二定律，笔者更倾向认为冷电具有其合理性。

一，卡诺循环效率公式的困惑

热力学第二定律(second law of thermodynamics)，热力学基本定律之一，其表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。第二类永动机不存在(违背热力学第二定律的永动机称为第二类永动机)。

1824年，法国工程师萨迪·卡诺提出了卡诺循环定理,被认为是是第二热力学的基础。卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，在这个过程中系统从高温热源中吸收热量，对外作功;绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功，温度降低;等温压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量，体积压缩;绝热压缩，系统恢复原来状态，在等温压缩和绝热压缩过程中系统对环境作负功。卡诺循环可以想象为是工作于两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2。

根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高。热机效率公式任何热机的效率无法超过卡诺循环的效率。卡诺循环效率公式ηc=1-T2/T1。循环效率只与两个热源的热力学温度有关(与工质性质无关)，高温热源的温度T1愈高，低温热源的温度T2愈低，则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得T1→∞的高温热源或T2=0K(-273℃)的低温热源，所以，卡诺循环的效率必定小于1。提高热机效率在于提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗。

卡诺定理的产生是建立在卡诺本人对他那个时代的数以百计的蒸汽机实证考察的经验之上。作为热力学基本理论，卡诺定理产生近200年来，没有人能够对其发动挑战。然而，笔者在应用卡诺循环效率公式ηc=1-T2/T1来进行冷能发电效率计算时，却对心生困惑。

二，T2和绝对零度

笔者设计的太阳辐射能热机，采用二氧化碳工质，通过膨胀制冷回收膨胀功，结合ORC发电。热机二氧化碳亚临界循环的模拟工况设定为高温热源T1=30℃，低温 热源T2=-55℃，两者之间的温差为85℃。根据卡诺热机理论效率公式(ηc=1-T2/T1)，效率理论值为28%。而同样85℃温差，假定30℃-115℃，热机理论效率只有21.9%;再假定100℃-185℃，同样85℃温差，理论效率只有18.56%。换一种方式，假定热机效率理论值同为75%，我们会看到迥然不同的两组温差(T2=-200℃，T1=20℃)以及(T2=20℃，T1=900℃)。前组T1-T2之间的温差为220℃，后组则为880℃，相差整整4倍。

这表明同等温差T2越靠近绝对零度，热机效率越高。相同效率T2越靠近绝对零度，温差越小。道理很简单，T2高于0℃，实际等于背负了热力学温度273K的包袱。而T2低于0℃，则是开始甩包袱。T2越接近绝对零度，包袱甩的越彻底。由此，我们有理由质疑现代热电厂采取单方向提高T1温度，向超临界、超超临界要效率是否明智，也有理由相信卡诺时代并没有通过降低T2的发电应用。

三，如何降低T2

制造低温需要从物体中吸热直到其温度低于环境温度。物质的相变过程，如固体融化、液体气化、固体升华均需吸收热量，产生低温。此外，节流膨胀、涡流效应、热电效应等也能产生低温。根据热力学第一定律、能量守恒和转换定律，制造低温需要能量,制冷过程是消耗能量的过程。