熱機的卡諾效率

美國90%以上的電力是由發電廠產生的，它們將熱量轉化為機械功。這些熱量可能是核反應、化石燃料燃燒，甚至是集中在鍋爐上的陽光產生的。幾乎所有的這90%都是基于熱源煮沸的水來產生蒸汽，使渦輪和發電機旋轉，但有一個快速增長的比例是使用燃氣輪機產生的。最好的新化石燃料發電廠使用蒸汽輪機和燃氣輪機的結合，以非常高的效率發電。

蒸汽機、燃氣輪機和內燃機都是能把熱量轉化為有用功的機器。我們感興趣的是，他們的效率如何？

在未來的章節中，當我們描述燃料電池、光伏和風力渦輪機時，同樣的問題也會被問到，在每種情況下，我們都將遇到相當有趣的、基本的限制，以最大可能的能源轉換效率。

熱引擎

很簡單，熱機從高溫熱源(如鍋爐)提取熱量QH，將部分熱量轉化為功W，通常以轉軸的形式，并將剩余的熱量QC排除到低溫水池，如大氣或局部水體。圖3。16提供了描述這種發動機的一般模型。

熵和卡諾熱機

19世紀20年代，法國工程師薩迪·卡諾(Sadi Carnot)首次描述了可能在冷熱儲層之間運行的最有效的熱機。他的著名方程將熱機的最大可能效率與冷熱熱源的溫度聯系起來，為了勾畫出這個方程的基礎，我們需要引入熵的概念。

就像在熱力學中經常發生的那樣，這個極其重要的量的定義不是很直觀的。它可以被描述為分子無序或分子隨機性的衡量標準。熵標的一端是絕對零度下的純晶體物質。由于每個原子都被鎖定在一個可預測的位置，以完美的順序，它的熵被定義為零-電力期貨資料。一般來說，處于固相的物質有更多的有序分子，因此比液體或氣體物質的熵更低。當我們燃燒一些煤時，氣態的最終產物的熵比我們燃燒的固體塊的熵要大。也就是說，與能量不同，熵在過程中是不守恒的。事實上，每發生一個真實的過程，無序度就會增加，宇宙的總熵也會增加。

不斷增加的熵的概念是非常重要的。它告訴我們，在任何總能量不能改變的孤立系統(例如宇宙)中，唯一能自發發生的過程是導致系統熵增加的過程。一種暗示是熱量自然地從熱的物體流向冷的物體，而不是反過來。它還決定了某些化學反應的方向，正如我們將在第四章中看到的，熵將被用來確定燃料電池的最大可能效率。

當我們開始分析熱機時。我們開始將能量流動制成表格。熱力學第一定律認為熱量傳遞形式的能量與發動機做功的能量是平等的。對于熵分析來說，情況并非如此。功被認為是一個不發生無序增加的理想過程，因此它沒有伴隨的熵傳遞。這是一個關鍵的區別。過程包括傳熱和工作。熱量的傳遞伴隨著熵的傳遞，但功是無熵的。

這是由卡諾描述的經典結果，可得出一個直接的結論：最大可能的熱機效率隨著熱庫溫度的升高或冷庫溫度的降低而增加。事實上，由于無限高的溫度和絕對零度的溫度都不可能，我們必須得出這樣的結論:沒有真正的發動機能夠以100%的效率將熱能轉化為機械能——總是會有廢熱被丟棄到環境中。

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