根据理想气体的卡诺循环，热机效率的极限是40％。但是现在有些汽车发动机宣称热效率超过40％这可能吗？
这确实是一个非常值得探讨的问题！我们来聊聊为什么卡诺循环给出的效率极限是40%，而现在有些汽车发动机却能声称超过这个数字。
首先，我们得明白卡诺循环是怎么回事。卡诺循环是理论上最完美的、最理想的热机循环，它由四个可逆过程组成：
1. 等温膨胀： 工作物质（比如气体）从高温热源吸收热量，并在恒定温度下膨胀。
2. 绝热膨胀： 工作物质继续膨胀，但不再从外界吸收或向外界放出热量，温度随之下降。
3. 等温压缩： 工作物质向低温热源放出热量，并在恒定温度下被压缩。
4. 绝热压缩： 工作物质被压缩，但不再向外界放出或从外界吸收热量，温度随之升高，回到初始状态。
卡诺循环之所以效率最高，是因为它完全由可逆过程构成。想象一下，在这个循环里，所有的能量转换都是“顺滑”的，没有摩擦，没有材料本身的电阻，也没有热量悄悄地“溜走”。
卡诺循环的效率公式很简单，它只取决于两个温度：高温热源的温度（T1）和低温热源的温度（T2）。公式是：
η = 1 T2 / T1
其中，T1和T2的单位是绝对温度（开尔文）。
如果你算一下，当T1很高，T2很低的时候，这个比值T2/T1就会很小，效率就很高。但问题在于，对于一般的汽车发动机来说，它的“高温热源”和“低温热源”并不是我们想象中那样可以任意设置的。
高温热源（T1）： 在汽车发动机里，这大致对应于燃烧室里的最高温度。虽然现代发动机的燃烧温度可以很高，但它仍然受到材料强度、燃烧稳定性以及爆炸极限的限制。我们不可能把燃烧室烧成太阳那么热。
低温热源（T2）： 这通常是发动机排出的废气温度，或者冷却系统向外界散发的热量。我们也不能把排气温度降到绝对零度。
如果我们假设一个比较理想的汽车发动机工作温度范围，比如高温是1000开尔文（约727摄氏度），低温是300开尔文（约27摄氏度），那么卡诺效率就是：
η = 1 300 / 1000 = 1 0.3 = 0.7 = 70%
这看起来比40%高很多，对吧？这里可能需要澄清一下，“40%效率极限”更常出现在一些特定的应用或教科书的简化例子中，特别是当提到“温差”相对较小的时候。 比如，如果一个内燃机的“工作温度范围”相对狭窄，或者更侧重于描述某种特定工质（如蒸汽）在有限温差下的表现，就可能得出较低的卡诺效率值。
那么，为什么汽车发动机声称的“热效率”能超过40%，甚至达到50%以上呢？
关键在于，“热效率”这个词在不同语境下可能有不同的含义，或者说，人们讨论的“效率”可能不是严格意义上的卡诺循环效率。
1. “热效率”与“机械效率”的区别：
热效率（Thermal Efficiency） 指的是发动机从燃料中获得的化学能转化为机械功的比例。这正是我们上面讨论的，受到热力学定律的限制。
机械效率（Mechanical Efficiency） 指的是发动机输出的净机械功与曲轴输出的总机械功的比例。这里面会包含很多“损失”，比如活塞与气缸壁的摩擦、气门机构的运转阻力、机油泵和水泵的驱动等。
当汽车制造商说“热效率超过40%”时，他们往往指的是这个发动机燃烧燃油所产生的总热量，有多少转化成了真正输出到曲轴上的机械功。 而不是我们上面计算的，理想卡诺循环的最大理论效率。
2. 实际发动机与卡诺循环的差距：
卡诺循环是理论上的“完美”模型，但现实中的发动机远非如此。主要的损失包括：
不可逆性损失： 所有的实际过程都是不可逆的。例如，燃烧过程本身就是高度不可逆的，高温燃气膨胀时，由于摩擦、粘滞等因素，会产生熵增，导致部分能量转化为无效热量。
热量损失： 发动机工作时，高温部分的热量会通过排气、冷却系统（水冷或风冷）以及向周围环境辐射等方式散失，这些都是不可避免的。
循环不匹配： 实际的内燃机循环（如奥托循环、狄塞尔循环、混合循环）与等温过程和绝热过程都有差异。例如，燃气膨胀和压缩过程不是完全绝热的，而是存在热量交换。
燃烧不完全： 即使是现代发动机，也可能存在少量未完全燃烧的燃料，这也会降低效率。
机械摩擦： 如上所述，机械部件之间的摩擦会消耗一部分能量。
3. “热效率”的重新定义与工程优化：
当今先进的汽车发动机，通过一系列精密的工程设计和技术革新，能够显著提高其“热效率”（这里我们理解为从燃料到曲轴的能量转换效率）。这些技术包括：
高压缩比： 提高压缩比可以增加燃气的做功能力，理论上提高效率。
燃油直喷（GDI）： 更精确地控制燃油喷射时机和量，改善燃烧过程。
涡轮增压： 允许发动机在更高的压力下工作，利用废气能量提高进气密度，从而提高功率输出和效率。
可变气门正时/升程（VVT/VVL）： 优化气门开关时机，适应不同工况，减少泵气损失。
降低摩擦： 使用低粘度机油、改进活塞环设计、采用低摩擦涂层等。
热管理系统： 更智能地控制冷却系统，让发动机更快达到最佳工作温度，并在某些工况下限制冷却，以减少热量损失。
米勒循环/阿特金森循环： 这些特殊的循环通过调整气门开启时机，模拟更长的膨胀比，有效减少了泵气损失和热量损失，尤其在低负荷时能显著提高效率。许多混合动力汽车会采用这些循环。
稀薄燃烧（Lean Burn）： 在某些工况下，采用贫油混合气（空燃比大于化学计量比），可以降低燃烧温度，减少氮氧化物排放，并可能提高效率。
所以，当汽车发动机宣称“热效率超过40%”时，它们是在谈论其“从燃料中提取有效功”的能力，这个数值已经非常接近甚至在某些理想工况下超过了许多传统发动机的极限。 这并不意味着它们打破了卡诺循环的理论效率极限（因为卡诺循环是基于完全可逆过程的理想模型，而且其效率公式也依赖于绝对温度）。
更准确地说，是现代发动机的实际热效率（即燃料能转化为曲轴输出功的比例）已经达到了非常高的水平，能够达到40%甚至更高，这已经是一个非常了不起的工程成就。卡诺循环提供了一个理论上的“天花板”，而现代发动机工程师的目标就是在遵循热力学基本定律的前提下，尽可能地逼近这个天花板，同时还要考虑成本、排放、可靠性和驾驶体验等诸多实际因素。
举个例子，如果一台发动机的最高燃烧温度能达到1500开尔文（约1227摄氏度），排放温度是800开尔文（约527摄氏度），那么其卡诺效率理论上可以达到：
η_carnot = 1 800 / 1500 = 1 0.533 = 0.467 = 46.7%
而如果一台发动机的实际热效率能达到40%50%，就意味着它在把燃料的化学能转化为曲轴输出功方面，做得非常出色，损失相对较小。
总而言之，卡诺循环是理论的标杆，而现代汽车发动机的“热效率”数值，反映的是工程技术进步下，实际工作循环在将化学能转化为机械功方面的实际表现，这两个概念需要区分开来。声称超过40%的热效率，是现代汽车工业在燃烧技术、材料科学和控制系统上的巨大进步的体现。
首先，我们得明白卡诺循环是怎么回事。卡诺循环是理论上最完美的、最理想的热机循环，它由四个可逆过程组成：
1. 等温膨胀： 工作物质（比如气体）从高温热源吸收热量，并在恒定温度下膨胀。
2. 绝热膨胀： 工作物质继续膨胀，但不再从外界吸收或向外界放出热量，温度随之下降。
3. 等温压缩： 工作物质向低温热源放出热量，并在恒定温度下被压缩。
4. 绝热压缩： 工作物质被压缩，但不再向外界放出或从外界吸收热量，温度随之升高，回到初始状态。
卡诺循环之所以效率最高，是因为它完全由可逆过程构成。想象一下，在这个循环里，所有的能量转换都是“顺滑”的，没有摩擦，没有材料本身的电阻，也没有热量悄悄地“溜走”。
卡诺循环的效率公式很简单，它只取决于两个温度：高温热源的温度（T1）和低温热源的温度（T2）。公式是：
η = 1 T2 / T1
其中，T1和T2的单位是绝对温度（开尔文）。
如果你算一下，当T1很高，T2很低的时候，这个比值T2/T1就会很小，效率就很高。但问题在于，对于一般的汽车发动机来说，它的“高温热源”和“低温热源”并不是我们想象中那样可以任意设置的。
高温热源（T1）： 在汽车发动机里，这大致对应于燃烧室里的最高温度。虽然现代发动机的燃烧温度可以很高，但它仍然受到材料强度、燃烧稳定性以及爆炸极限的限制。我们不可能把燃烧室烧成太阳那么热。
低温热源（T2）： 这通常是发动机排出的废气温度，或者冷却系统向外界散发的热量。我们也不能把排气温度降到绝对零度。
如果我们假设一个比较理想的汽车发动机工作温度范围，比如高温是1000开尔文（约727摄氏度），低温是300开尔文（约27摄氏度），那么卡诺效率就是：
η = 1 300 / 1000 = 1 0.3 = 0.7 = 70%
这看起来比40%高很多，对吧？这里可能需要澄清一下，“40%效率极限”更常出现在一些特定的应用或教科书的简化例子中，特别是当提到“温差”相对较小的时候。 比如，如果一个内燃机的“工作温度范围”相对狭窄，或者更侧重于描述某种特定工质（如蒸汽）在有限温差下的表现，就可能得出较低的卡诺效率值。
那么，为什么汽车发动机声称的“热效率”能超过40%，甚至达到50%以上呢？
关键在于，“热效率”这个词在不同语境下可能有不同的含义，或者说，人们讨论的“效率”可能不是严格意义上的卡诺循环效率。
1. “热效率”与“机械效率”的区别：
热效率（Thermal Efficiency） 指的是发动机从燃料中获得的化学能转化为机械功的比例。这正是我们上面讨论的，受到热力学定律的限制。
机械效率（Mechanical Efficiency） 指的是发动机输出的净机械功与曲轴输出的总机械功的比例。这里面会包含很多“损失”，比如活塞与气缸壁的摩擦、气门机构的运转阻力、机油泵和水泵的驱动等。
当汽车制造商说“热效率超过40%”时，他们往往指的是这个发动机燃烧燃油所产生的总热量，有多少转化成了真正输出到曲轴上的机械功。 而不是我们上面计算的，理想卡诺循环的最大理论效率。
2. 实际发动机与卡诺循环的差距：
卡诺循环是理论上的“完美”模型，但现实中的发动机远非如此。主要的损失包括：
不可逆性损失： 所有的实际过程都是不可逆的。例如，燃烧过程本身就是高度不可逆的，高温燃气膨胀时，由于摩擦、粘滞等因素，会产生熵增，导致部分能量转化为无效热量。
热量损失： 发动机工作时，高温部分的热量会通过排气、冷却系统（水冷或风冷）以及向周围环境辐射等方式散失，这些都是不可避免的。
循环不匹配： 实际的内燃机循环（如奥托循环、狄塞尔循环、混合循环）与等温过程和绝热过程都有差异。例如，燃气膨胀和压缩过程不是完全绝热的，而是存在热量交换。
燃烧不完全： 即使是现代发动机，也可能存在少量未完全燃烧的燃料，这也会降低效率。
机械摩擦： 如上所述，机械部件之间的摩擦会消耗一部分能量。
3. “热效率”的重新定义与工程优化：
当今先进的汽车发动机，通过一系列精密的工程设计和技术革新，能够显著提高其“热效率”（这里我们理解为从燃料到曲轴的能量转换效率）。这些技术包括：
高压缩比： 提高压缩比可以增加燃气的做功能力，理论上提高效率。
燃油直喷（GDI）： 更精确地控制燃油喷射时机和量，改善燃烧过程。
涡轮增压： 允许发动机在更高的压力下工作，利用废气能量提高进气密度，从而提高功率输出和效率。
可变气门正时/升程（VVT/VVL）： 优化气门开关时机，适应不同工况，减少泵气损失。
降低摩擦： 使用低粘度机油、改进活塞环设计、采用低摩擦涂层等。
热管理系统： 更智能地控制冷却系统，让发动机更快达到最佳工作温度，并在某些工况下限制冷却，以减少热量损失。
米勒循环/阿特金森循环： 这些特殊的循环通过调整气门开启时机，模拟更长的膨胀比，有效减少了泵气损失和热量损失，尤其在低负荷时能显著提高效率。许多混合动力汽车会采用这些循环。
稀薄燃烧（Lean Burn）： 在某些工况下，采用贫油混合气（空燃比大于化学计量比），可以降低燃烧温度，减少氮氧化物排放，并可能提高效率。
所以，当汽车发动机宣称“热效率超过40%”时，它们是在谈论其“从燃料中提取有效功”的能力，这个数值已经非常接近甚至在某些理想工况下超过了许多传统发动机的极限。 这并不意味着它们打破了卡诺循环的理论效率极限（因为卡诺循环是基于完全可逆过程的理想模型，而且其效率公式也依赖于绝对温度）。
更准确地说，是现代发动机的实际热效率（即燃料能转化为曲轴输出功的比例）已经达到了非常高的水平，能够达到40%甚至更高，这已经是一个非常了不起的工程成就。卡诺循环提供了一个理论上的“天花板”，而现代发动机工程师的目标就是在遵循热力学基本定律的前提下，尽可能地逼近这个天花板，同时还要考虑成本、排放、可靠性和驾驶体验等诸多实际因素。
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η_carnot = 1 800 / 1500 = 1 0.533 = 0.467 = 46.7%
而如果一台发动机的实际热效率能达到40%50%，就意味着它在把燃料的化学能转化为曲轴输出功方面，做得非常出色，损失相对较小。
总而言之，卡诺循环是理论的标杆，而现代汽车发动机的“热效率”数值，反映的是工程技术进步下，实际工作循环在将化学能转化为机械功方面的实际表现，这两个概念需要区分开来。声称超过40%的热效率，是现代汽车工业在燃烧技术、材料科学和控制系统上的巨大进步的体现。
网友意见
卡诺循环的效率上限不是40%……只是说采用类似卡诺循环的热机的效率上限不会超过卡诺循环，即1-低温/高温。
四冲程内燃机是奥托循环。热力发电厂是类似卡诺循环的朗肯循环，因为等温过程是做不到的。
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