如果汽车发动机的热效率达到100%,这意味着什么?:热机的能量转化效率达到100%,这意味存在科学幻想的童鞋又多一枚。任何物质产生热能以100%的转化率被机器利用
热机的能量转化效率达到100%,这意味存在科学幻想的童鞋又多一枚。
任何物质产生热能以100%的转化率被机器利用转化为动能,这一理论符合能量守恒定律,因为宇宙中的所有能量本就是以一种形态转化为另一种或多种形态,在转化前与后的能量总量不会丢失也不会消弭;但是这一理论违反了热力学第二定律,因为其忽视了能量转化过程中的熵增原理,可理解为热能转化为其他能量时会从有序的转化变成无需的转化,无序变化总会将热能转化为非有效功。
热力学第二定律说明了宇宙中所有涉及热转化现象的宏观过程都符合熵的现象,不论是燃料燃烧产生的热能还是摩擦产生的热量,在转化过程中都会引起其他形态的能量转化;参考这一定律得出的结论为:内燃式热机是不可能做到100%热能与内能的转化。
以汽油机为例其最佳运行温度理论值能达到平均40%就是高水准,而在冷启动阶段热效率会低到离谱。燃料燃烧的本质是烃类能量物质与氧气产生的高温化学反应,反应过程中符合热力学第二定律,为分子无规则的剧烈运动,在这一状态下能量为热能;而分子剧烈运动推动活塞连杆曲轴运转产生的转矩,这一力道可理解为有效功,所谓的发动机有200或400N·m的扭矩指的正是有效功的量化,这一力矩的比例与燃烧产生的总能量比例为热效率,高水准的汽油动力内燃式热机也就是40%左右。
而在发动机冷启动时热效率要低的多,因为燃烧产生的热能自发的以有序到无序的状态传递至低温物体,但反向从低温物体传递至高温物体则无法实现;那么冷启动时发动机的温度与环境温度相同,低温的金属则要不断的吸收热能进行升温,直到聚积的热能达到材料的相对饱和状态后才能吸收热能,这一部分热能才能够以分子不规则运动状态通过热机的结构原理转化为动能。
发动机的温度无法恒定在理想的高温范围内,所以仅仅一个“冷启动”问题就算否定了100%热效率;其次达到缸体的理想温度后,发动机的运行步骤为【进气、压缩、爆燃、排气】,从自然界吸入的空气温度是很低的,低温空气在高压下以湍流状态吸入或被压缩至气缸,这一瞬间对缸体的温度是绝对会有影响的,这一影响也就造成了热能的二次转化;再次空气中的氮气会吸收热量,而氮气在空气中的比例约为78%,热能被氮气怎么解决?
所以热效率能达到100%的热机以现有的文明等级是不会出现的,利用电流形成电磁场、利用电磁场转化动能的电动机,其效率也仅仅为90%以上,理论上没有一种机器可以实现100%的能量转换,至少在能量守恒定律和热力学第二定律没有被推翻之前。
(上文由天和Auto原创首发,禁止站外转载,平台内欢迎转发留言关注。)
2
发动机热效率的定义是指“发动机有效功率的热当量与所消耗总热量的比值”,这叫做发动机有效效率,简单点来说就是消耗的燃油中有多少是真正被利用起来了,剩下的就浪费掉了,现在很多发动机的热效率还在30-35%左右,超过35%就是比较优秀的了,超过40%的更是屈指可数。
也就是说消耗1升燃油实际上只有30-40%的利用起来了,毕竟燃油从化学能通过燃烧、推动活塞运动等方式向机械能转换的过程中难以避免能量损耗,比如发光、使发动机升温的热量都是属于能量损耗。很显然热效率越高车辆对应的油耗就会越省,如果热效率达到100%,也就是说没有了能量损耗,比如燃油燃烧也不会发光了、跑上几百公里发动机还是常温等等,可能很多人的第一感觉是车辆会省油,比如之前热效率33%,达到100%以后,百公里油耗也就是之前的三分之一,可实际上远远没有这么简单。。。
如果热效率真正达到了100%,那就意味着现在的物理学得推倒重来,各种定律会被否定,而且很可能会克服摩擦力,永动机就很可能会造出来,汽车的油耗可能就不是三分之一了,而是速度上来以后就0油耗了,到时候只用刹车就行了,是几滴油跑就能跑一天这种概念了。当然影响到的不仅仅是汽车,其他各行各业也都得经过大升级,可以不夸张的说,与现在是不同的两个世界。
当然以上也只是想象而已,可以说现在的世界就决定了发动机热效率不能做到100%,不过可以随着技术的进步而提高,比如马自达的压燃技术就能大幅提升热效率,据说能到50%,但这也只是量变,与达到100%的质变并不是一个概念。
希望以上分析能对大家有所帮助!
3“发动机热效率”众所周知,发动机是靠燃油的燃烧做功的,通过燃烧产生的热能来推动汽车运动,是一个由热能转换为机械能的过程。但是由于燃油不可能100%的完全燃烧干净,发动机还有进排气的损耗、机械的阻力等等,因此只有一部分热能可以转化为最终的机械能,我们称这部分能够转化为机械能的热能为有效利用热能,所谓热效率就是有效利用热能与燃料燃烧热能的比值。目前船用内燃机的热效率在45%左右,大部分汽车发动机的热效率在35%左右,也就是说燃油所产生的热能只有三分之一可以转换为机械能。
除了发动机热效率外,汽车各系统同样会有效率损耗。换句话说,即使一辆车的发动机热效率很高,但若其它方面控制不到位,那么多出来的发动机热效率同样会被损耗掉。另外,所谓发动机热效率最高达到多少多少,其最高是有条件的,就好像最大功率一样,需要发动机转速达到一定条件才行,发动机在日常使用过程中能否达到最高热效率的条件很难说,即使达到了也有可能是一触即过,因此在面对一些厂家宣传自己发动机热效率多高时,可以感叹其发动机技术的研发实力,但也要清楚这在日常的用车环境中并不会带来太大影响,不要被发动机热效率洗脑。(Bee)
4我们以本田的1.5T为例,本田这发动机194马力,38的热效率,如果变成100热效率,则这台发动机将输出510匹的动力。按现在的情况来看,0.75-1l的发动机的动力输出足以匹配豪车,一般家用车的排量在0.3-0.5l就差不多了。也就是说世面上买的都是0.5升的雅阁凯美瑞帕萨特等,0.8升的宝马5 奥迪a6等,1升的宝马7奥迪a8奔驰s。
5如果内燃机热效率突破百分之百那么代表我们的科技已经突破到了另一位面,简单点说就是在本位面、内燃机是根本无法达到热效率百分之百的,热效率百分之百意味着燃料燃烧产生的热量没有任何形式的损耗,而这是不现实的;在能量传递过程中、损耗是不可避免的!内燃机热效达到100%时,将失去暖风
汽车的暖风、实际上就是利用发动机散发出的废热加热空气而实现的,所以只要发动机热量有任何形式是外散、那么热效率就永远达不100%!所以若内燃机热效率达到100%时、燃烧燃料产生的热量就完全封闭在机器内部,所以由于没有发动机废热散出、那么车子也就失去了暖风功能;即便电加热也不能用,因为车载电源于发动机的运转,电加热依然是对热量的消耗、一样拖低热效率,所以即便采用电加热、依然会导致热效达不到100%!
当热效100%时,必然是全新材料所打造现象如今极限热效率仅仅达到40%(混动版本达到41%),而这是峰值热效率,实际上内燃机运行时热效率是在不断根据实际情况进行改变的!如上图所示、40%热效率仅在特定的发动机转速以及负荷之下,而平均热效率仅在35%左右,也就是说约65%的热量被损耗掉了,那我们看看这65%的热量如何被损耗、如不损耗会有什么样的后果!
转换机械能:消耗平均35%的热量。
排气热消耗:消耗平均30%的热量。
冷却系统热消耗:消耗平均30%的热量。
发动机表面散热:消耗10%左右热量。
在内燃机中、燃料燃烧产生的全部热量就是由上面四种路径所消耗掉,除了转换机械能属于合理消耗,其余三种都属于浪费;可不浪费行么?如果这些能量不被浪费掉,机体运行很可能连几分钟都挺不住,因为没有冷却系统的加持,燃料燃烧产生的高温形成热堆积、很容易把发动机给融化掉,所以是不是需要一种全新耐高温的材质、来打造机器呢?
燃料在缸内燃烧时、焰心温度已经接近2000开尔文(甚至更高),可以换算成约为1727的摄氏度;而铁的熔点只有1538摄氏度,所以如果燃烧产生的热量、不被冷却系统带走,那么很容易导致热积累、从而损坏发动机;咱们车子的发动机之所以没有被融化,实际上还是在依靠冷却系统帮助散热,因为缸壁的外侧、缸盖的外侧都是冷却液;所以燃料燃烧时产生的热量再大、温度再高,也能迅速被燃烧室、缸盖外侧大冷却液带走,所以缸壁最高温度也就只有100°C往上!
这才保证了发动机没有被融化掉,可由于这散热系统的存在、消耗了至少30%的热,所以热效率必然达不到100%,所以100%的热效率其实是不可能达到的!达到的前提就是必须要用一种全新的材料打造发动机,这种材料至少要具备耐高温的能力、可不是仅仅1727度,因为在没有冷却系统下、持续热堆积所形成的高温不仅仅是1727度,所以材料很重要;所以若未来内燃机实现热效率百分百,那么必然带来一次材料的全面更新,就现有的材料来看、还做不到!
热效100%时,排温接近环境温度汽车排气带走的热量是惊人的、占比至少达到30%左右,如果想让热效率达到百分百,那么这30%的热量就不能损失,那么只能提前把尾气携带的热量全部收回(取消尾气是根本不可能的),那么我们就需要拥有一套强大的能量回收装置、将废气中的热量完全回收,不过根据开尔文对热力学第二定律的描述而言: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,简单点说就是再先进的能量回收装置、也不可能完全吸收热量后全部转换成有用功,必然存在其它影响!也就是说未来即便真有这么先进的能量回收装置、可以百分百的吸收废气热量,但依然没办法将其全部转换成有用功,既然不能全部转换有用功、那么还是造成了一定的热损耗!
所以100%热效内燃机其实造不出来,100%热效内燃机实际上只是美好的想法罢了;即便我们能克服材料、科技的束缚,但我们没办法突破那些热力学定律的束缚啊,我们今天拥有的内燃机、源于热力学定律,而按照这条路径走下去、是不可能突破热力学定律束缚的,所以这里面旧存在一个悖论,那也就是如今的内燃机、完全遵从传统热力学定律,而内燃机未来的发展目标是打破热力学定律?基于热力学定律产生的机器、又要打破热力学定律,是不是旧形成悖论了?所以100%热效率的内燃机在这个位面是不存在的!
6麻烦学习一下热力学第二定律。
7这是超越地球人科技水平的,非要讨论就幻想一下吧。
真到了100%,首先是发动机可以减小排量,排气量3.0L发动机动力的车,只要现在1.0L发动机就能做到。其次,和发动机匹配的一系列动力系统,都可以优化减小。
动力系统优化后,整车的重量下降,发动机舱需要的空间减小,给予汽车设计更大的自由。
再有就是省油了呗
8热效率100%意味着什么?答案很简单,发动机的空气能和燃油燃烧的热能全部转化为发动机的扭矩输出,理想科幻大片。给大家普及一下发动机常见的变化。
不需要冷却和润滑系统,也没有排气系统,因为燃烧过程没有热量外泄,全部转化为机械能。活塞和缸壁也是0摩擦,只起传递力的作用,整机工作温和无噪声,远优于电机。
扭矩完全根据喷油量来确定,功率几乎是一条线不会掉头。假设全速全负荷每个转速喷油量一样,那么最终的功率扭矩曲线图如下。
提升燃油热效率的方法有很多。现在燃油热效率最高的车已经不是丰田的凯美瑞了,二是马自达的skyactiv-X,热效率达到了48%,油耗在任意工况路段都比原来的sktactiv-G降低了10%以上,可惜在全球电动的趋势下,马自达也没有继续研究燃油车的意愿。
本文为“深蓝月华”原创发表,欢迎转载!
9热效率100%的时候,车内各机构肯定是没有摩擦力,估计那个时候道路也没有摩擦力,只需一滴汽油,就足以让汽车周游世界,想周游多少圈,就能开多少圈。
10意味着,热能直接转化成电能的技术成熟了。
意味着没有废气热量排放。或者在排放的过程中热量被全部吸收并转化成电能。
热能转化成机械能,虽然是一步到位,但是能量效率一直在百分之四十左右,很难提升,不如改个路线,先把热能转化成电能,再把电能转化成机械能。
如果真的实现,意味着汽车可以实现不烧油也能走路了,空气中本来就有足够的热能,既然发动机能把汽油燃烧的热能全部转化成动能,那说明已经有非常高效的热能吸收装置,或者说热能储存装置。能够把所有产生的热能全部吸收并储存,既然能吸收内部产生的,那外部空气中的热能,应该也能吸收,而且吸收的效率如此高,即使没有汽油,光是吸收空气中的热能和太阳的热能,也足够它开起来了。