熵與熱力學第二定律

熱機效率

你往發動機裡灌滿一箱燃料,可只有它的一部分能量以運動的形式回到你手裡;其餘的從排氣管和散熱器以熱量逃走了。熱機效率就是抓住這一點的一個簡單評分:你投入的熱量中,發動機真正變成有用功的那一份比例。投入 100 單位熱量,得到 30 單位功,效率就是 30%。

寫成比值,效率等於輸出的功除以輸入的熱量。第二定律狠狠地給這個比值封了頂:即便是一台完美無瑕、毫無摩擦的發動機也達不到 100%,因為它總得向低溫熱源排掉一些熱量。那個上限——卡諾效率——只取決於兩個溫度:1 減去(冷溫度除以熱溫度),兩個溫度都用開爾文。

它為什麼重要:效率告訴你燃料有多少變成了功、又有多少成了浪費,這左右著每一台發動機和電廠的經濟性與排放。它也是工程師為何拼命追求盡可能高的燃燒溫度和盡可能低的排氣溫度——把那個溫差拉大,是抬高上限的唯一辦法。誠實的告誡是:真實發動機由於摩擦和有限的速度,總是達不到卡諾極限;而 100% 是被直接禁止的,不只是「很難」。

一輛汽車的汽油發動機效率大約在 25–35%:燃料的大部分能量以熾熱的廢氣和散熱器熱量的形式離開,而非變成運動。一座現代聯合循環燃氣電廠,靠著燒得更熱、並把廢熱再捕集一次,可以爬過 60%——但永遠到不了 100%,因為低溫熱源總要拿走它的那一份。

效率 = 輸出的功 ÷ 輸入的熱量;卡諾值 1 − 冷溫度/熱溫度 就是上限。

熱泵和冰箱改用一個「性能係數」來評價,它可以超過 1(即 100%)——但它們並沒有違反任何定律,因為它們是用功來搬運熱量,而不是把熱量轉化為功。

又稱
热机效率熱機效率thermal efficiencyCarnot efficiency