一個好問題的革命：漫談發動機熱力迴圈
引
有
人說，只有熱力學才是永恆的真理。
熱力學第二定律作為宇宙第一定律，至今仍然金身不破。
比起熱力學來，其它的數學理論，甚至物理定律都不能算作永恆真理，它們都是人類的片面總結。可見，熱力學是多麼的深刻和重要。
內燃機的誕生就是熱力學理論的最高傑作之一，這告訴了我們兩點：
1。即使是最複雜的現象也是由最簡單的規則控制的。
2。世間萬物都需要額外的能量來維持自身，無一例外。
如果追溯內燃機的誕生，我們就會有所洞察。
蒸汽機推動的輪船在18世紀中葉就出現了，並引發了船舶動力的第三次革命，但當時的人們對蒸汽機背後的基礎理論還存在誤解，更不要提最佳化它的效能了。蒸汽機一直被詬病體積大，功率小，效率低。
從帕潘，薩弗裡，紐科門到瓦特，從冷凝器，活塞，行星齒輪，調速器，節氣閥到連桿機構，英國工程師們一直在對蒸汽機做各種結構上的最佳化，並期望提高它的熱效率，但卻收效甚微。
直到1824年，一篇劃時代的技術論文「Reflections on the Motive Power of Fire」發表了。在這篇論文中，熱力迴圈的概念被提出——它的始作俑者就是卡諾，這部著作隨即成為了最佳化蒸汽機設計的聖經。
壹
卡諾熱力迴圈的誕生
那
麼，什麼是熱力迴圈呢？
熱力迴圈只是一個思維的成果，為了理解這個概念，我們首先要了解它誕生的過程。
卡諾的思考方式與工程師們的想法迥異，因為他首先是一名物理學家。
此外他也是一名法國人，必然帶有些許的理想主義精神。
物理和理想主義的碰撞，就是“理想熱機”的雛形了
理想熱機的想法來自於一個根本性的問題：是什麼決定了引擎能量轉換的效率呢？
卡諾就是人類歷史上第一個深入思考這個問題的人。
我們知道，引擎的作用是將熱能轉換為所需型別的機械能（做功）。
而卡諾的關注點有兩個：
1。首先是“溫度差”：
沒有溫度差，熱傳遞就不會發生，熱機就無法工作。
卡諾進一步思考認為：只有全部的熱量轉移都被用來做功，這才是熱機的理想形態——沒有任何能量的浪費。
2。第二個關注點，
如果材料不改變溫度，只是體積發生變化，熱量的傳遞也會發生。
這被稱為絕熱傳遞。卡諾認為：如果絕熱傳遞可行，不透過熱傳遞也可以製造能量。
更關鍵的是，有了以上兩個假設，從邏輯出發就可以構建出熱機的效率模型，即熱力迴圈
，
更具體地說則是：卡諾迴圈。
從物理的本性出發，卡諾觀察並思考熱量的本質，並藉助了高低溫熱容器的思想實驗來說明了什麼是卡諾迴圈。
其思想實驗的核心就是一臺空氣引擎由氣缸，空氣，活塞組成：
卡諾迴圈分為四個過程：
1。等溫膨脹：系統從高溫熱源吸收能量；
2。絕熱膨脹：系統溫度從高降低；
3。等溫壓縮：系統把熱量釋放給低溫熱源；
4。絕熱壓縮：系統溫度從低升高
理想的熱機迴圈裡，我們要留意幾個細節：
溫度差是由高低溫容器交替實現的，這是理想熱機第一個假設。
活塞必須緩慢移動，以確保等溫過程中沒有熱量的傳遞。而在絕熱過程中，氣體壓縮溫度升高，氣體膨脹溫度降低，實現能量的轉移。這是理想熱機第二個假設。
透過卡諾迴圈，熱能就可以轉化為機械能。
於是，下一個問題也接踵而至：熱能和機械能是什麼關係呢？
這就要深入瞭解微觀世界了。
事實上，這個問題直到卡諾之後的19世紀中葉才被瞭解，在20世紀機理才被證實。
答案就是：熱量，溫度和壓力都是由於分子運動產生的。
隨著熱力學的發展，人類逐漸認識到：溫度的本質，是量化的平均分子動能。換句話說，微觀的分子運動決定了最終的發動機的效率，發動機的能量損失等等。
這個公式將力學（動能）與熱力學（絕對溫度）聯絡起來。
T代表了絕對溫度，k代表波爾茲曼常量，而這個常量不受氣體溫度，密度，壓力，數量，型別的影響。
波爾茲曼常量就是溝通力學和熱力學的橋樑。
此外，我們還發現，壓力——則是分子移動的平均力。它代表了移動分子的施力平均值。分子在平衡狀態下，各向壓力是完全一致的。
有了以上認知上的進步，我們就能更進一步，將卡諾迴圈進一步發展，直至發展出現代的汽車發動機。卡諾迴圈當之無愧地成為了後續引擎開發的一座理論燈塔。
只可惜，卡諾並沒有將他的理論公式化，就英年早逝了，完成這項工作的，是英國工程師威廉·湯普森。
按照這個公式，卡諾熱機的效率只由兩個熱容器的溫度決定，恆小於1。
卡諾熱機模型的意義非常重大：
卡諾熱機對發動機的設計做出了高度的抽象，為向理想熱機進化提高效率指明瞭方向：
擎的效率與引擎的結構，空氣，蒸汽，或其他派生物都無關。
跟效率有關的重要元件只有：高溫熱容器，低溫熱容器，活塞，氣缸。
正是由於卡諾在理論上的貢獻，讓人類找到了發動機工學的奧秘。
卡諾被後世稱作熱力學和統計物理學的奠基人就不足為奇了。
貳
奧托和迪塞爾的遺產
以
卡諾迴圈為基礎，站在巨人的肩膀上，熱力學的理論進步帶來了更貼近實際的發動機設計藍圖。奧托迴圈和狄賽爾迴圈就是最經典的兩個代表。
它們如今都是標準的工業設計，我們先來看奧托迴圈吧：
與卡諾迴圈的等溫絕熱不同奧托迴圈是定容加熱的理想熱力迴圈。
1876年由德國的工程師尼古拉斯·奧托發明。
現代汽車和卡車等使用的內燃機大多都是採用奧托迴圈設計的。
奧托迴圈也有四個過程，將卡諾迴圈的等溫過程換成等容，我們就得到了：
1。絕熱壓縮；
2。等容積吸熱；
3。絕熱膨脹；
4。等容積放熱。
其中2和4代表不改變氣缸體積條件下工質在氣缸內加熱和冷卻。
奧托迴圈也是理想化的迴圈，認為迴圈由絕熱，等容過程組成，並且系統的組成，性質和質量都保持不變。
然而實際上因為發生了燃燒和爆炸，系統的組成和性質必然發生變化，因此實際汽油發動機的效率要比奧托理想迴圈的效率低很多。
儘管奧托迴圈引擎的設計有很多變體，但只有壓縮比和熱容比，才決定了引擎的理論效率。
實際上，在奧托迴圈當中，第2和第4個過程當中無法做到完全的溫度平衡——因為奧托迴圈沒有等溫變化。於是，必然會導致部分熱量被熱機浪費掉，因此奧托迴圈的效率要比卡諾迴圈低。
你也許還聽說過阿特金森迴圈，米勒迴圈等等。
其實它們都是奧托迴圈的一種，只是把絕熱過程加長，縮短等容排熱的過程。
在阿特金森迴圈和米勒迴圈當中，活塞的行程會更長，從而延長絕熱的過程。這可以充分地利用燃油的能量，提升經濟性。
但也有明顯的缺點：限制了轉速的升高，加速效能也變差。
阿特金森/米勒迴圈發動機這種充分利用能源的特點，故被各種節油的混合動力車型看中，它們並不在乎低速的“不在狀態”和高速的“不中用”，可以在在油耗最優異的轉速運轉，用電動機的大扭矩彌補動力的缺陷。
好，瞭解了奧托迴圈，我們再來看迪塞爾迴圈。
狄塞爾迴圈，也分為四個過程：
1。絕熱壓縮
2。等壓加熱
3。絕熱膨脹
4。等容排熱
與奧托迴圈相比，迪塞爾迴圈的最大意義在於，燃料的燃燒不是靠火花點燃，而是靠壓燃。
因此，狄塞爾（Diesel）迴圈又稱為定壓加熱迴圈。狄塞爾迴圈是由兩個絕熱過程和一個等壓過程和一個等容過程構成的。最典型的四衝程柴油機採用的就是狄塞爾迴圈。
研究顯示（見下面公式），影響狄塞爾迴圈效率的有三個因素：
壓縮比（compression ratio）
熱容比（ratio of specific heat）
定壓膨脹比（cut-off ratio）
叄
提出一個好問題
無
論卡諾迴圈，奧托迴圈還是迪塞爾迴圈。
實踐當中完全符合理論的要求，永遠讓活塞緩慢地移動並不現實，很難產生實用的價值。
但理論卻給我們指明瞭工程上最佳化的出路，熱力迴圈的研究可以明確地告訴我們：誰是發動機效率的敵人——沒錯，就是那些無法在熱力迴圈裡反覆利用的，被浪費掉的能源。
湍流，摩擦，噪聲，導熱 — 它們都是效率的敵人。
在現實世界裡，當活塞快速執行時，這些能量都會被耗散掉（不可重複利用）
最佳化發動機的設計的過程，就是不斷減少耗散能量的過程。
利用一切手段，讓氣缸和活塞更好地絕熱，減少摩擦和振動都是工程學上的挑戰。
最後，我們還要說明，熱力學迴圈沒有最優解，只有最適合。
這就像是一座動物園：
除了我們提到的理想熱機卡諾迴圈，汽油機的奧托迴圈，混動系統常用的阿特金森迴圈米勒迴圈，柴油機的狄賽爾迴圈外，還有火力發電裡的朗肯迴圈，航空發動機裡的布萊頓迴圈等等
這麼多的現代產物，都源自卡諾不遺餘力的思考。
是什麼決定了引擎能量轉換的效率呢？
卡諾的故事告訴了我們，如何提出一個好問題並透過思考獲得創造和進步。
一個好問題不能被立即回答
一個好問題挑戰現存的答案
一個好問題與能否得到正確答案無關
一個好問題出現時，一聽見就特想回答，但在問題提出前不知道自己對此很關心
一個好問題重新構造自己的答案
一個好問題是探索、設想、猜測，帶來差異和分歧
一個好問題處於已知和未知的邊緣，既不愚蠢也不顯而易見
一個好問題不能被預測
一個好問題是機器將要學會的最後一樣東西
一個好問題能生成許多其他的好問題
一個好問題的存在，本身就是人類不斷探索的最佳見證。
完
特邀撰稿：
徐鴻鵠
作者簡介：
最終的分析中，所有的知識皆為歷史；抽象的意義下，所有的科學皆為數學；理性的世界裡，所有的判斷皆為統計。小步快跑，持續增值，擁抱偶然，抱團協同，抵制焦慮，相信未來
