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热度 9 kiwaho 2018-7-13 07:14

一、热机的种类热机的种类不是那么多。自蒸汽机发明以来的科技进步史，见证了种类创新之艰难。传统物理热机类，绝大多数都是基于液气闭合朗肯（ Rankine ）循环，少数是气相循环的，例如斯特林（ Stirling ）热机；燃烧类热机，则为开环式燃气消耗性循环，如内燃机、气轮机等。我不满足于在现有种类上，搞小改小革的发明，干脆一不做二不休，直接创造革命性的新种类：固液相变多缸封闭循环的新一类热机。为何现有机种没有一个胆敢甩掉气相呢？惯的，全是惯的，都被大气磅礴的膨胀性惯坏了。就连教科书表述热力学全部定律时，都要指明气相的存在！固相被认为流动性差，没法参与高速传质循环，虽然传热还凑合。现有热力学定律表述全部避谈固相，尽管这样，我仍认为全部定律照样适用含有固相环节的循环。固相和液相在经历非相变状态过程时，热胀冷缩的尺度甚至小至肉眼不察的程度。若非特立独行的科学家，岂敢用这个相态做功！好在相变过程的体积胀缩还算看得到，尽管大部分物质的变化率不到 10% 。别说当初瓦特发明蒸汽机的年代，现代热力学学术权威们，又何曾看得上这么不起眼的膨胀率呢。所以说，任何人只要抛弃气相做出热机，发明者就算是开辟了一个新种类和一片新天地。二、新种类什么情况？当今所有种类的热机，有一个共同的特点：做功一定是通过气体膨胀实现的。我认为，这也正是现有机种的效率，绝大多数达不到卡诺效率一半的原因。而且，低密度气相的存在导致体量庞大、功率密度低，甚至循环过程的质量守恒，也不见得能保障，例如热电厂尽管有高耸入云的冷却塔，仍然难免排空无法及时凝水的水蒸汽乏气。有电厂经验的读者不妨晒晒数据--排空乏气的比例。只有不再依赖气体膨胀做功，才能从热机的相态循环彻底去掉气相。我的新发明正是基于这一出发点，大胆采用固液相变物质（ Phase Change Materials, PCM ）作为工质。除了熟视无睹的水外，人们早就熟悉的其它相变物当属做蜡烛的石蜡。市售的冬天用暖手器，塑料袋里装的就是相变物醋酸钠，里面的小碟片用手一掰，袋子就会突然发热，凉了后放到锅里煮后，下次又可用了。相变工质的体积变化，通常在 1% 至 20% 之间，例如水 10%，猪油15% 。这与气体膨胀的成百上千倍的体积变化相比，低了好几个数量级。由做功表达式 W = P* Δ V 可知，要使新种类热机与传统热机的做功能力不相上下，只好堤内损失堤外补，即体积膨胀的减少，须有压力的相应数量级增加来补偿。果然，绝大部分相变物质恰好如人所愿。例如水这个相变物质，其结冰膨胀压高达约 3000 大气压，这比热电厂的做功蒸汽压大了几个数量级。冬天未保护好的水管，常可见到冻裂的现象，仅此就可窥见一斑。据报道，有好奇人士测试 1 寸壁厚的铸铁容器的耐冻性，充满水后置于零下 30 度以下的户外，竟然也冻裂了！其实，任何相变物质，只要有相图，就可以知其相变压力，否则只好做实验测定。学界至今尚无通用相变压力计算公式，建议相关学科带头人尝试理论推导。适用的相变工质，必须至少有 5% 的体积变化，且越大越好。太小则被正常的热胀冷缩干扰，或者说，期待的高相变压会被热胀冷缩抵消，这类似于有用信号被无用的噪声淹没。三、动力传递利用相变压力做功，可有多种选择。有人会想到：直接由活塞传递此蛮力推动增速齿轮。此法固然不错，但缺点也不少，尤其不便于远程输送，以及多元做功叠加困难。灵活性好很多的液压做功，当属上乘之策。共轭液压单元输出的交流承压油流，经四只单向液压阀桥式整流后，再经液压流蓄能器“滤波”后，就可以推动液压马达了。液流与电流其实是对偶的，液压与电压也这样。液压元件与电子元件还可类比：单向阀 = 二极管，蓄能器 = 电容器，等等。不象电马达那样可有直流和交流两种选择，液压马达只能是直油流，虽然交油流马达理论上可行，但制造成本太高，所以市面见不到。任何热机要想发电，最后一级一定是发电机。相变热机的液压马达，通过转轴耦合驱动发电机。下图为正在专利申请中的设计图（US16/021000）：四、热功效率单缸相变热机的效率大约在 5% 至 10% 之间，依所用相变工质而定。寒碜是寒碜点，好在造价十分低廉，也不需要很大的温差。这一特点注定了适用的构型，必然是多极串联的，以便大幅度提高效率。可以轻易证明：串联的效率提升近似线性增长。在串联状态下，前级做功后的废热，全部当作后级的热源，所以愈往后级，被各级提功后的废热愈来愈小，直至末级进入热沉。从不切实际的数学角度看，只要级数足够多，且每级所用相变工质的熔点等于凝固点，就能使最终废热为零，也即越狱了卡诺效率。但实际物理上不是这样的，因为通常的凝固点要低于熔点少许。使得每级所需承接的最小温差必须大于某个阈值。可这样间接表述热力学第二定律：任何热机的效率不得突破卡诺效率极限。串联线形增长的良好势头，使得多缸相变热机逼近卡诺效率有了可能。从实验结果来看，普通温差的系统， 4 缸开始就接近 Rankine 循环效率， 6 至 8 缸就开始接近 Carnot 循环效率。总温差越大，所需缸数所需越多。五、应用前景 1、家居太阳能发电蓄热风靡全球的 PV 光伏电池固然不错，但不能蓄热，且 PV 连同逆变器成本高昂。下图展示了新型太阳能集热与发电配置图。真空热管可将蓄热材料加温至 200 °C ，当然家用热水器不需要这么高温，但用来供应热机自然就是越高越好。不妨将水箱中水替换为熔点 150°C 以上的相变物，这样更能满足相变热机对热库温度恒定性的偏好。如此这般下来，四缸热机效率 25% 就很满意了。考虑到集热器效率和发电机效率，从太阳能到负载的系统效率仍可达 14% ，这就与太阳能发电板的硅光电池效率相当了。 2、可充热包驱动的零排放汽车旧时代的电车通过两根“辫子”接上头顶的电力线，如今可以剪掉“辫子”装上氢电池了，锂电驱动的小轿车如今也满街跑了。那么，电池是否就是油箱革命后的唯一低碳创新选择？能否不装电池，而装上充满热量的热池跑呢？也即：不是在街上，而是“躲”在某个角落，把该烧的燃料一次烧完，将烧出来的热能预存到热池里。上街跑的时候，再带上它作动力慢慢消耗；凉了后，再找个地方充热至饱满，以便下次继续上路。尽管热池对电池，名字很对仗，但没人用就绕口，不妨用家喻户晓的语言，通俗地称之为烧包。我发明的革命性新种类热机，吹响了烧包机车时代即将到来的号角！马斯克的电动车虽然叫得响，死穴也是明摆着的：昂贵的锂电池包！我的这一发明，必将以两大优势：低廉的成本 + 充热方法的灵活多样性，正面挑战锂电池汽车。从有效能量密度来看，两者可做到旗鼓相当。这得看我的这个大烧包保温瓶中装的是啥相变材料了。计算如下：相变储能材料选用锂基化合物： 20% LiF + 80% LiOH ，熔点 427 °C ，此温下的理想卡诺热机效率 57%（假定春天气温），熔化热 1163 kj/kg = 323 wh/kg 。不敢奢望卡诺效率 57% ，但假设用 8 缸相变热机可逼近至 50% 效率，则可输出机械能密度约 160 wh/kg 。忽略保温热包的泡沫绝热材料和容器的重量，可见这个数显然与锂电池不分伯仲。所以，若特斯拉 Model S 的 540kg 的锂电包，充满电能 85kwh 跑 430km ，则我这个等重的烧包车充满热能后，也应该达到这个谱。研究遍所有相变材料，要在这个四百多度的温区，达到与锂电池同等能量密度，还真只有上述含锂化合物可以达到。尽管这样，烧包的成本还是远低于锂电，而且省去了锂电必不可少的配套贵金属钴。注意：烧包内的相变物质，是以储能为目的，希望相变导致的体积变化率越小越好，以免胀破烧包。所以，不要称之为工质，免得与做功的缸内相变工质混淆。只有一项指标，我甘拜下风：能量静置慢漏。锂电半个月不用，漏电率估计不会大到开不动车了；而我的烧包静置 4 天后也许凝固了，最好重新充热。所以说：烧包充热完后，因该尽快用，不要闲置。这跟开水保温瓶一个道理，不要放到 2 天后再拿去泡茶喝。既然这样，索性将这种另类新能源车，配置成 70kg 的小烧包续航里程仅 50km ，主打上班族市场，早晚用 2 次上下班，回家每天充热。这样就没有必要向锂电能量密度看齐，放弃不便宜的锂基相变材料，专挑廉价的即可，例如硝酸钾等熔点相似的熔盐。至于充热方式，那就多得很。最简单的就是：烧包内置大功率电炉丝，市电插头，方便随处可充。因为相变热机效率高到可与热电厂媲美，所以用市电充热仍是绿色环保的，就算热电厂烧煤，环境也不吃亏。要达到更大的灵活性，烧包内应该内嵌专用换热器，以供外部充热循环。这样的好处是，电力不足的农村车主，可以用煤或柴火炉子充热。只要做好防火措施，甚至可将炉子随车带，随时想充就充，或像电池浮充电那样浮充热。一旦搞成浮充热，车子就相当于配置了外燃机，跑车的同时也在烧燃料。此时烧包完全可以进一步瘦身，只要断火后仍能跑 1~2km 即可。这时候的微烧包相当于发挥了内燃机大飞轮的作用。车顶还可以配置一个太阳能高温集热板，此法浮充烧包不足以替代外充，但是可以节省正式外充的能耗。车主家安装一部大抛物面聚光镜，用其给烧包充热将节省大量充热成本，是值得鼓励的零碳绿色举措！至于未来星罗棋布的充热站，开设成本低廉，不像特斯拉的充电桩那么昂贵，充热方式店家可灵活自定，反正司机客人不用傻等，交钱换完烧包就走。下图为第一代改装蒸汽机烧包热动车的谍照，升级改造正在筹资中。六、与利益集团的冲突带来的挑战和机遇利益集团最满意当今的内燃机了，因为这种久经考验和早已技术成熟的热机，格式化了燃料市场--汽油、柴油、航空油，进而使得庞大的石化炼油工业、相关产业供应链、道路养护税费征收紧密绑定在一起。不但格式化了市场及相关政府职能构架，同时也格式化了消费者的思维定势。一旦高效、经济的外燃机或离燃机日臻成熟，势必引起前述各利益集团的冲突。因为外燃机迎合了自由供给的燃料性态，完全去掉了对燃料性态的格式化。譬如说我这个发明中提到的未来车用烧包，离线加（充）热的方法不限：太阳能、柴火、煤炭、汽油、柴油、电热，甚至未经提炼的原油也可设计出一种炉子来烧。即便电力不通、没有加油站的偏僻农村，也能用柴火、生物质加热烧包，不影响机动车的运行。既然这样，还要炼油厂干啥呢？很多国家将公路的修建养护成本，分摊到汽油柴油的售价中去了。若没有格式化好的这两类油料供应市场，政府如何找到替代征收方法，确实面临挑战！机遇是：这项技术将逐步摆脱人类对化石能源的依赖，转而使用地球表面碳循环的清洁能源，以及零污染的太阳能，其结果定会使地球温室效应、雾霾、酸雨、生态恶化等逐步改善。善莫大焉！与内燃机几乎同时代发明的斯特林（ Stirling ）热机，本质上就是外燃机。很早以来人们一直寄予厚望。可惜因为其固有的低效率，始终未能在效率上战胜内燃机，因而从未取得商业化的成功，仅局限于学校的原理演示教具而已。可喜可贺的是：我发明的新型固液相变热机，终于在效率上战胜了传统内燃机，因而这是一项具有划时代意义的、当惊世界殊的伟大发明！七、结语英语的相变 phase change 与变脸 face change 是一个意思。把固相用于热机循环的一态，也算是别出心裁，完全不按科研套路出牌嘛。恰巧，美国总统川普的变脸威力也特别巨大--地球也要抖三抖，且从不按牌理出牌。有鉴于此，特行使发明人的命名权，将此新型热机的英文名称定为Wei-Trump engine，以表彰铭记川普的雄才大略和特立独行式思维！值此新发明问世之际，钢铁侠马斯克，风尘仆仆赶来上海，签约他的特斯拉电动车中国生产基地。那么，烧包和电包，哪个才是你的包？坚信不久的将来，主流的回答一定是：烧包、烧包、再烧包！虽然形势一派大好，但革命尚未成功，同行仍需努力！八、合作与共赢欢迎有兴趣的投资方，以及有志于合作研发、开拓市场的生产厂家与我联系，提出建设性、竞争性的要约（best offer）。我将投入全部精力,誓言哪怕在要约方的实验室或工厂打地铺，也在三年内要打造出全球第一台烧包车！所以还请细化你的要约，包括这些细节：入门费、安家费、年薪酬劳、地方政府扶持政策、未来量产后的销售分成计划、合作期间的改进部分的产权归属等等。要约方还需配备足够人才搭档，至少下列技术领域的工程师或专家：机械、热力学、材料、液压、工艺、优秀钳工、内嵌软件等。我将在所有要约中，挑选出最满意的合作方，尽快奔赴第一线开展各项工作。谢谢大家的关心与捧场！

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热机与热效率

fanxshan 2017-3-13 20:58

热机是一种将热能转化为机械能（例如体积功）的机器。所有的热机都必须工作在两个温度之间。从高温热源 T 1 吸取热量 Q 1 ，向低温热源 T 2 放出热量 Q 2 。在所有热机里面，只做绝热可逆膨胀的热机，它的热效率是最高的。（同理，将常温常压下的气体 P 1 、 V 1 、 T 1 压缩至 P 2 、 V 2 、 T 2 时，以绝热可逆压缩消耗的功最小。）这类热机的工作流程包括以下 3 步：（ 1 ）体积为 V 1 、压力为 P 1 、温度为 T 1 的工质，其热能为 U 1 ，进入膨胀机；（ 2 ）工质在膨胀机中做绝热可逆膨胀，压力由 P 1 可逆地变化为环境压力 P 2 ，温度由 T 1 下降为环境温度 T 2 ，体积由 V 1 增加到 V 2 ，对外做出做大可逆功 W ；（ 3 ）工质的温度、压力均与大气环境相同，再无任何做功能力。根据热力学第一定律，对于以上封闭物系 U 2 – U 1 = Q – W （ 1 ）工质在整个过程中绝热，与外界交换的热量 Q = 0 ，因此有 Δ U = – W （ 2 ）又由于（3）输出功 W 与输入原始热能 U 1 的比值称为“热效率” （ 4 ）将（ 3 ）代入（ 4 ）（ 5 ）考虑到同一物质 0 ~ T 1 范围内的平均热容与 0 ~ T 2 范围内的平均热容相差不大，可近似认为二者相等，于是（ 6 ）可以近似地认为：热机的最高效率只与两热源的绝对温度有关，与工质无关。必须注意公式（ 6 ）的近似性。化学家们将近似的公式（ 6 ）当做无条件成立的公式，进而推导出了“熵”这样一个并不存在的概念，从而使热力学陷入了唯心主义的泥坑之中。

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简讯：千瓦厚实验室发明了水蒸气大功率红外准激光器

热度 2 kiwaho 2015-1-16 23:13

千瓦厚实验室近期向美国专利商标局申请了一项新发明专利：蒸汽锅炉驱动脉冲大功率红外准激光器及其热机应用。该发明基于1968年两位科学家W.R. Potter J.G.Hoffman的科学发现：物质相变过程中潜热以红外辐射的方式释放出来。他们对100度的水蒸气的冷凝实验证实，辐射的红外光子波长在1至4微米之间。该技术没有限制锅炉的加热方法，既可以用沉浸式电加热器，也可以用外燃式加热，例如野外燃烧柴禾，木炭，液化气。以此技术生产出来的激光器，其性能价格比远远优于传统的大功率二氧化碳激光器。如果以外燃方式加热，温控系统没有电力供应，则需要人工把握火候。该发明装置输出的强汇聚光束本质上不能称之为真正的激光，仅仅具有相当于激光的单向会聚性，然而相干性不好，而且单色性不太理想。虽然主辐射能量集中在3.19微米，但仍有10%左右光子能量分布在1 至4微米之间。故称之为“准激光”，或“伪激光”。曾在专利申请文件用词方面，纠结过到底是quasi-laser好，还是pseudo-laser好。经专业人士点拨：“反正其未来应用定位于光束的热能量利用，至于相干性、单色性，认真你就输了！”，最后就凑合着用quasi-laser，也许算善意的忽悠吧。千瓦厚将在今后的发明中，逐步在相干性及单色性方面改进。所幸相干性和单色性并不影响光束的点加热能力，因而可以像二氧化碳激光器一样，用于金属切割，医疗手术刀，或者军事应用等。该发明以特殊设计的红外光学谐振腔，汇聚了水蒸气凝结时释放的近红外光子。正宗的激光大师们可能略显失望。因为难以看到该发明何处体现了一般激光器的粒子数反转、光子泵等概念。材料应用了价格昂贵的高纯度石英晶体，所幸用量相对设备总投入比例不算大。关注千瓦厚的朋友可能注意到，我的早先文章大谈特谈自然凉水蒸气潜能的开发利用，因而会奇怪本新型水激光器发明，为何不用免费能源而要耗费燃料烧锅炉？没错，此发明中的人工热蒸气理论上确实可以被自然凉水蒸气替代，但好的发明需要追求应用的便携性、能量密度、启动性能等参数。天然凉蒸气潜能提取涉及大尺度结构和重量，而且启动时间较长，典型情况下半小时左右。试想如果应用场合是作为野外使用的对空武器，大尺度结构显然机动性差，而且过长的启动，会错失天空移动目标。该激光器可以用于修改现有Rankine热机循环，将热机做功后的尾蒸汽（泛气）接入红外光束发生组件，携能光束再经过特制柔性光纤，远程传输到锅炉用于加热液态工质，协助锅炉主加热器产生做功蒸汽，从而节省大量燃料。激光组件排液口流出的液态工质被泵送到锅炉，接续热力学循环。修改后含有激光热能反馈环节的热力学循环，称之为魏氏热力学循环，可以越狱卡诺循环的效率魔咒，最终提升等效热机效率达90%以上。该循环方法将低温泛气凝结潜热释放的红外光子高强度汇聚后，以红外伪激光的方式，经由传统意义上本应作通讯用的光纤，传导到锅炉的高温加热源闪蒸出做功蒸气，貌似违反了热力学第二定律，但确是切实可行的创新。专利申请号：US 14/555,378。有兴趣的读者，可以静候USPTO大约18个月后实质审查前的公开出版。有兴趣商业合作推广的人或实体，现在即可洽商走程序，并索取专利申请书全文。专利申请并不意味专利将来一定能获得专利权。在未来的内容公开期，不服气的人士都可以向专利局提交异议书，或者抱怨我的技术不具备新颖性，或者抱怨我要求的权力太广泛导致不利于其他人的类似创新。我鼓励大家不要怕得罪千瓦厚，到正式公开及实质审查阶段，确有异议可大方地提交异议书。

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中暑的物理学原理和抢救措施

热度 2 wliming 2011-7-8 16:53

从物理上讲，生命体就是一部热机。它从食物中吸热，对外做功（产生生命活动的能量ATP），并向环境释放热量（三个过程缺一不可）。这个做功过程的效率的理想值由温差决定：(T1-T2)/T1.这里T1 和T2分别是食物分解的温度和环境的温度。实际的效率比这个理想值低。可见，维持输出的首要条件是温差T1-T2. 当温差为 0的时候，效率就为0，热机就会停止工作。对生命体来讲，此时能量来源没有了，生命活动也就要停止. 这就是中暑。中暑发生在气温高的时候，温差接近0，人体无法有效地向外释放热量，于是效率接近0，生命活动即将停止。所以，中暑病人的自救措施首先是降温！

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说热机效率，话冷却塔

武际可 2010-11-17 14:19

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评“新型热机改变内部热容发现新的热动力原理”

jitaowang 2010-11-3 08:40

摘要：重庆有志教学设备有限公司，刘勇，在科技创新导报2010年25期10页发表了新型热机改变内部热容发现新的热动力原理一文中提出了一系列的错误论点：例如，发现最高理想工作效率大于, (因)此逻辑推理证明卡诺定理逻辑上不成立，利用固体物质随意改变卡诺热机的内部热容,则逻辑推理就能证明卡诺定理不成立，热力学第二定律结论不成立等。其实，这是由于他对无摩擦准静态的理解不正确、不正确的 p - V 图等一系列基础性错误所造成的。就连他写出的所谓温度变化 △ T与活塞运动距离S的关系的基本计算式子都是不正确的。正如我在博文反对卡诺定理不会有前景和可逆热机改变内部热容不能推翻卡诺定理中所说的：新型热机改变内部热容的构思基本合理，但结论是符合卡诺原理和热二律。本博文的图Fig.1-4都是本人原创制作的并保留版权。按照刘勇的新型理想热机是在卡诺热机的内部增加了固体物质，因此可以随意改变卡诺热机的内部热容等描述，应该可以形象地画在 Fig.1 中。 Fig.1 中我引入了热阀结构，这样可以利用热容的大小和热阀的开（导热）关（绝热），很方便地表达改变卡诺热机的内部热容的构思。假定 Fig.1 中的气体桶壁和活塞都是绝热的。气体的热量交换只能通过开启的热阀进行。而刘勇的的相应新型热机设计图却粗糙和存在不合理之处。 Fig.1 正确描绘新型热机改变内部热容的构思（和刘勇的文字表述比较时需要旋转 90 o ）附：刘勇的文字表述：系统内部分为两部分 : 上部装有活塞 , 活塞下面装有理想气体 , 中部是一块导热良好的隔板把系统隔开为上下两部分 , 下部装有固体物质。可见 , 新型理想热机就是在卡诺热机的下部增加了固体物质。卡诺热机的内部增加了固体物质后 , 我们可以利用固体物质随意改变它的内部热容。当卡诺热机没有增加固体物质时 , 其内部热容为理想气体的热容 C r 气。然而在增加了固体物质后 , 其内部热容变为理想气体的热容 C r 气和固体物质的热容 C r 固之和即 : C r 气 + C r 固对热机 R 工作原理的正确描述就应该如 Fig.2 所示。其中恒温膨胀和绝热膨胀两步符合卡诺循环。增加适当量的固体热容后的绝热压缩曲线的斜率更水平化（因为这样带引号的绝热和卡诺循环的绝热不同），三步直接形成循环，同时留下固体热容从 T 2 变成 T 1 的变化。 Fig.2 热机 R 循环曲线内的面积就是对外所作的净功。 Fig.2 对热机 R 的工作原理的正确描述。其中恒温膨胀和绝热膨胀两步符合卡诺循环。但是留下固体热容从低温到高温的变化。对热机 R 工作原理的正确描述就应该如 Fig.3 所示。其中恒温压缩和绝热压缩两步符合卡诺循环。增加适当量的固体热容后的绝热膨胀曲线的斜率也更水平化（因为这样带引号的绝热和卡诺循环的绝热不同），三步直接形成循环，同时恢复了固体热容从 T 1 变回 T 2 。 Fig.3 热机 R 循环曲线内的面积就是对外所作的净功。这样就可以看出新型热机的工作原理将完全符合卡诺定理。相应地，刘勇认为逻辑推理就能够证明卡诺定理逻辑上不成立是错误的。其他估计膨胀距离或压缩距离也是不正确的。附：刘勇的文字表述：卡诺热机内部增加了固体物质后再进行绝热膨胀或压缩过程时 , 其内部的温度变化△ T 与活塞运动距离 S 的关系为 : △ T = k S P C r( 式中△ T 温度变化 , K :k 关系常数 : S 活塞运动距离 ,m: P 压强 , kgf /m 2 :Cr 内部热容。 ) 令温度变化△ T 时 , 其内部热容 Cr 越大 , 要求活塞运动距离 S 越大。理想气体压强 P 越大 , 则要求活塞运动距离 S 越小。如果再在理想条件下分析利用固体物质随意改变卡诺热机的内部热容 , 则逻辑推理就能证明卡诺定理不成立 : Fig.3 对热机 R 的工作原理的正确构思。其中恒温压缩和绝热压缩两步符合卡诺循环。同时也恢复了固体热容从高温变回到低温。整个循环工作应该经过热机 R和热机 R 交替工作一共六步才完成，并且可以用 Fig.4 的 p - V 图来表示。 Fig.5 是供对比使用的卡诺热机 p - V 图。 Fig.4中间两条 p - V 线实际上应该是重合的一条可逆双向线。 Fig.4 新型热机的工作原理完全符合卡诺定理。其中卡诺热机的 W = W 1 + W 2 。 Fig.5 供对比使用的卡诺热机。 Fig.4 新型热机的工作原理完全符合卡诺定理。其中两个循环中的面积大小之和就是对外所作的功，和单一的卡诺循环完全相等，即其中 W = W 1 + W 2 ，热机的效率也一定等于 = W / Q 1 。卡诺定理完全正确。而刘勇的结论是完全错误的。对刘勇其他部分的所谓新的热动力原理和热力学第二定律结论不成立等部分存在更多的错误。例如，刘勇先生完全不知道热力学或物理化学教科书中的一个基础知识：准静态膨胀或压缩在没有任何耗散，例如没有因摩擦而造成能量的散失等的情况下就是一种可逆过程，因此刘勇先生错误地认为：准静态过程对外做功，而可逆过程不对外做功等。此外，由于固体热容经过热机 R 和热机 R 交替循环以后又完全恢复原状，根本就不存在所谓新型热机利用固体物质的物理性质对外界做有用功的现象。因此在此再作进一步的讨论也就完全没有必要。附：刘勇的文字表述：整个循环工作中其膨胀过程输出功大于压缩过程耗用功 , 所以 , 它改变内部热容后获得的效率逻辑上大于。如果把这个过程循环下去 , 它就能够不断从单一热源 T 1 取热输出有用功。证明卡诺定理错误。本博文的结论：刘勇一文的结论即所谓新型理想热机、最高理想工作效率大于，这样从逻辑形式上证明卡诺定理不成立、热力学第二定律结论不成立等是完全错误的。附：刘勇的文字表述：因此 , 在增加了固体物质后的卡诺热机进行的绝热膨胀或绝热压缩过程中 , 如果我们利用固体物质的热胀冷缩等物理性质来对外做功 , 同样有改变卡诺热机的内部热容的效果 , 并且在改变它的内部热容的贡献中不留下任何痕迹。所以 : 热力学第二定律结论不成立。我的 Email ： jtwang@fudan.ac.cn

个人分类: 科学发展|8744 次阅读|1 个评论

可逆热机改变内部热容不能推翻卡诺定理

热度 1 jitaowang 2010-10-4 07:46

摘要： kkoo111111 （ liuyong ， liuyong12345 ，刘勇， liuyong111111 ）目前在不同的网站上发表了新型热机改变内部热容发现新的热动力原理或证明卡诺定理及热力学第二定律缺陷的逻辑形式等类似或相关标题的博文，文字表述中也有一些各自不同，同时都缺少附图。据称该文即将正式发表。从他目前已发表的网上文字表述中已经可以看出一些端倪。他的新型热机改变内部热容构思是合理的。然而他的推理或结论，如从逻辑形式上证明卡诺定理不成立等，是完全错误的。本博文就对他的新型热机改变内部热容的合理构思进行讨论，并从中得到和他相反的结论：即可逆热机改变内部热容不能推翻卡诺定理。在我的前一篇博文反对卡诺定理不会有前景已经介绍了 kkoo111111 （以下简称 kkoo ）在对我博文的评论中告知：他的新型热机改变内部热容后发现新的热动力原理文章即将发表在科技创新导报 25 期上。从他在其他网站上张贴的缺少图形的文字描述中可以知道他的新型热机改变内部热容构思是合理的，然而他的推理或结论，如从逻辑形式上证明卡诺定理不成立、证明卡诺定理及热力学第二定律缺陷的逻辑形式等，是完全错误的。众所周知，卡诺循环可以用克拉贝隆的 p ( 纵坐标压强 ) - V ( 横坐标体积 ) 图示方式来表示，见 Fig.1 。这一图示法表示的循环只可能是可逆过程。这种图示法被大多数热力学教科书一直沿用到今天。它清晰地描绘了卡诺循环的四步单一简单过程 , 即绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩和等温膨胀。而且由这四个过程曲线所包围的面积就定量地等于该体系在循环过程中对外所作的功 W 。 Fig.1 卡诺循环的克拉贝隆 p ( 纵坐标压强 ) - V ( 横坐标体积 ) 图示法 kkoo 提出新型理想热机是在卡诺热机的内部增加了固体物质，因此可以随意改变卡诺热机的内部热容的设想。实际上就是通过改变卡诺热机的内部热容来实现从 { p 1 ， V 1 ， T 1 } 到 { p 2 ， V 2 ， T 2 } 之间的直接变换过程，并称之为绝热膨胀或绝热压缩。实际上由于固体热容在起作用，对气体体系并非真正是绝热的。相应地，这样增加固体热容的绝热过程曲线的斜率比卡诺循环中的绝热过程曲线的斜率更水平些、而且可以通过固体热容的大小来调节斜率的。于是卡诺循环就被分割成两个子循环，而卡诺循环中原来的四个过程并没有受到影响，整个变化如 Fig.2 所示。 Fig.2 新型热机的工作原理符合卡诺热机基本要求。其中 W = W 1 + W 2 。相应地，整个卡诺循环就必须通过所谓的新型热机，即热机 J 1 和热机 J 2 的组合，以及 Fig.2 的两个子循环来共同联合完成。注意： Fig.2 中从 { p 1 ， V 1 ， T 1 } 到 { p 2 ， V 2 ， T 2 } 的过程曲线和从 { p 2 ， V 2 ， T 2 } 到 { p 1 ， V 1 ， T 1 } 的过程曲线实际上是重合的，因为它们都是可逆过程。同时热机 J 1 循环曲线所包含的面积和热机 J 2 循环曲线所包含的面积就分别等于它们各自对外所作的功 W 1 和 W 2 。从 Fig.1 和 Fig.2 的对比中还可以定量地知道 W = W 1 + W 2 。从 Fig.1 和 Fig.2 中也可以清楚地看到：这两种热机的热功转换效率都是 = W / Q 1 或 = （ W 1 + W 2 ） / Q 1 ，其中 W = W 1 + W 2 。因此， Fig.1 的卡诺热机效率和 Fig.2 新型热机（即热机 J 1 和热机 J 2 组合）的热功转换效率是完全相等的。这样就可以定量地给予证明。然而 kkoo 却认为改变卡诺热机的内部热容得到新型热机后，就得到了一系列他的错误结论：如逻辑推理就能够证明卡诺定理逻辑上不成立、它改变内部热容后获得的效率逻辑上大于、如果把这个过程循环（博主注：只指热机 J 1 的循环）下去，它就能够不断从单一热源 T 1 取热输出有用功等。同时 kkoo 也拿不出严谨的推理或证明。到此本文对 kkoo 其他部分的所谓新的热动力原理和热力学第二定律结论不成立等也完全没有必要继续进行讨论。

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北方人高大南方人瘦小的物理学原理

wliming 2010-7-2 16:47

北方人普遍高大，南方人普遍瘦小。大家可能觉得，这是人种不同的结果。这样的解释等于没解释（跟中医很像，你为什么发烧啊，因为你上火啊）。问题是，为什么人种不同呢？我觉得，这里面有个很简单的物理学原理在起作用。这就是热机原理。我们知道，热机的最高效率为1-T2/T1，热机只能把一部分热量转化为有用的功，还必须把一部分热量释放到环境中去（一般热机散热的比例是非常大的，比如汽车发动机效率只有25%，也就需要把汽油燃烧后释放的热量的75%释放到环境中去）。热机内部的高温和环境的温差越大，效率就越高。如果没有温差，热机的效率就是0，热机完全不能运转。从能量利用这个角度来讲，人体就是一个热机。人体从食物吸收热量，再利用这个热量做功来维持人体的生命活动，同时必须像热机一样向环境释放一定的热量。这正是热机的有限效率的要求。可见，人体和一台汽车发动机很相似。人一般是通过排汗来散热的，但是狗就只能通过舌头来散热。北方气温低，一般不需排汗就能充分散热（反而还需要衣服保暖来减缓散热）。南方气温高，以至于人体内部的局部高温和环境的温差小，大大降低了人体这个热机的效率。所以，为了获得相同数量的能量，南方人必须消耗更多的食物并把更多的热量释放到环境中去。相对而言，北方人的热机效率高，能把更多的营养物质储存起来，从而体格更高大。千万年的繁衍，这样一种效率机制就在基因中留下了记录，成为人种的特征。这里有一个问题是，人体内部的高温到底是多少？体温？不是。希望懂ATP的人做个解释。

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反科学的“伪扩展卡诺定理”

jitaowang 2010-4-10 07:08

反科学的伪扩展卡诺定理 1. 我提出扩展卡诺定理，即非耗散的能量转换才是普适的能量转换效率最高的充分必要条件 . 这就是扩展卡诺定理。最近有人把它篡改成仅仅适用于热机的。然后提出是对公认理论的否定，这是一种真正的对公认理论的核心科学发展理论的否定。 2. 对事不对人。 2010-4-11修改

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批“熵：一个不是物理量的概念”一文

jitaowang 2009-11-28 09:13

现代热力学 11-批“熵：一个不是物理量的概念”一文批阅人：王季陶，复旦大学，2009，11，26。Email： jtwang@fudan.ac.cn 原文“熵：一个不是物理量的概念”原文作者：张树风，中南大学物理学院。原文参见奇迹文库 http://www.qiji.cn/eprint/219/index.html 综合批语：原文作者通过所谓的“重新定义”，把热机效率（即产出的功 W 与高温热源投入的热量 Q 1 之比）篡改为“功机效率”（即产出的功 W 与投入的功 W 1 之比）。于是全文就把对“ TV 热机”的讨论篡改为对根本不存在的“ TV ( 功)机”的讨论，结论当然是错的。

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析万物之理，没物就没理（续）

jitaowang 2009-11-22 18:27

析万物之理，没物就没理（续）现代热力学 10 -- 析万物之理 b 一．科学网的三条红线有言在先科学网编辑部：我们呼吁广大博主不要越过以下三条红线： 1. 任何政治上的不当言论； 2. 对他人和组织机构进行的恶意攻击和诽谤，这一条款同样也包含针对科学网编辑部及其关联机构的恶意攻击和诽谤； 3. 无休止地散布有违于人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论的信息；无休止地向编辑部和广大博主发布骚扰信息。我们相信， 99.9% 的博主是无意为之，因此编辑部碰到问题时，都会和当事人耐心沟通，碰到越线博文时，一般删除后会把备份发给博主本人。网民也在呼唤《科学网的三条红线》实施细则的出台。当然还是会有困难，但是我坚信科学网一定会进步和健康发展。这是历史的规律。二．借鉴 1775 年巴黎科学院的处理原则有言在先 20 年内我积累多次经验，我一直坚持借鉴 1775 年巴黎科学院宣布不再受理任何永动机发明或鉴定申请的处理原则。对任何反对或篡改热力学第二定律的态度是：一不怕反对或篡改热力学第二定律，二不屑批，点到为止或作有限的批驳，然后顺其自然，自生自灭，历史上知多少。以免对科学网引起不必要的污染。这一点我在 2009-10-22 发表的博文现代热力学 5: 第二定律 a 和 2009-11-18 发表的博文析万物之理，没物就没理都再三强调过。谨供各位参考。三．热力学基本定律是人类经验的总结不是数学推导出来的任何研究热力学的人必须首先清楚地认识到热力学第二定律和热力学第一定律一样是建立在无数事实的基础上，是人类经验的总结。它不能从其它更普遍的定律推导出来。 ( 傅献彩，物理化学， p. 100) 人人都知道蒸汽火车是靠烧煤蒸汽高温热源到低温热源 ( 如室温环境 ) 的热流来作功的。火车或蒸汽机的效率就必然是对外作功和烧煤蒸汽热量的比值，也可以简称热功转换效率或效率。绝大多数人都不会相信蒸汽火车是靠烧功来推动的。因此把热机效率重新定义为功和功的比值是错误的。 1. 在熵：一个不是物理量的概念一文（没有其他说明，以下页码都是指该文） p. 2, 1 行中以热机循环中对外界所做净功 W 与系统从外界吸收的热量 Q 1 的比值作为热机效率是涉嫌混淆外界（即环境）和高温热源的。因为热量 Q 1 是从高温热源得来的，不是从环境得来的。这类混淆和热和功的混淆是该文的主线，因此结论也是错的。 2. p.2, 末 10 行中的重新定义是一个明显错误。不仅混淆了热和功这样一对最基本的概念，也违背了人们对效率的基本常识。 3. p.2, 末 2 行中的所谓热力学第二定律的另一种表述是对热力学第二定律表述的篡改，不符合人们的基本常识。人们认为蒸汽火车对外作多少功就是多少功。 4. p.3, 末 10 行中所谓称等温过程中与系统交换能量的源为功源 - 代替热源的概念是完全错的。再次混淆热和功这两个热力学最基本的概念。同时与系统交换能量的方式有两种：（ i ）热，（ ii ）功。在卡诺循环类型热机中，系统只能和环境交换功，而系统是不能和热源交换功的。如果蒸汽机对锅炉（高温热源）作功，势必把锅炉压扁而爆炸。把高温热源和低温热源分别改称为高温功源和低温功源是不允许的，功是不区分高温功和低温功的，相应的也根本不存在高温功源和低温功源。 5. p.3, 末 7 行中仅仅工作在两个功源之间的一切可逆机（ TV 机）是根本不存在的 TV 机或称为 TV 功机。如果没有高低温热源和高温到低温的热流就能对外作功的循环机就成了第一类永动机，因此是不可能的。文中的严重混淆可见一般。 6. p.4, 7-8 行中系统由低温功源（即热源 q 2 ）吸收功是不可能的。同样系统向高温功源（即热源） q 1 作功也是不可能的。如果蒸汽机对锅炉（高温热源）作功，势必把锅炉压扁而爆炸！ 7. p.5, 7 行中系统与每个功源（即热源）所交换的功（正或负）是不存在的。如上所述，系统只能和环境交换功，而系统只能和热源交换热。 8. p.5, 末 4 行中，把经过重新定义热和功混淆倒置得到的式子，再和未经过重新定义混淆的热力学第一定律式子结合起来是不合理的。就好象我说的蓝楼梦故事中，把男女混淆倒置的林爷爷和真的林妹妹结婚，结果只有林黛玉一人在洞房中。最后归纳一下，卡诺热机类具有四大要件：系统，高温热源，低温热源和环境；和只讨论两种能量形式：热量和功；两种能量交换关系：系统只和高低温热源交换热量而不交换功，系统对环境可以作功（正或负）而不是从环境吸放热。这些最基本物理概念是不能混淆的。有了这样的物质基础，才能讨论相应的理。这就是本博文题目析万物之理，没物就没理的由来。

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析万物之理，没物就没理

热度 1 jitaowang 2009-11-18 10:13

析万物之理，没物就没理现代热力学 9 -- 析万物之理过去我在热统会议上说过：物理，物理，一旦没了物，也就无理了。如今我们都是析万物之理圈子的成员，同样没物就无理可析！在我的博文现代热力学 5 第二定律 a 中说到：以下按时间先后主要把我 (jitaowang)写的评论做一回顾。本月 3 日同一天发表的两篇博文： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=266872 热力学第二定律普及版 : 现代热力学 7 第二定律 b 学者王季陶发表于 2009-11-3 9:59:11 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=267299 最愚蠢的理论熵理论学者张树风发表于 2009-11-3 21: 11:51 标题：发表评论人： jitaowang 我相信博主对熵理论和热二律的切割是一个进步。标题：发表评论人： jitaowang 置顶论文中请不要重新定义。博主回复：定义本身就是人为的，两种定义是平权的，没有哪个是更基础的，之所以说重新，不过是因为有一个先定义了而已，仅仅是时间先后次序不同。假如您认为不能重新定义，就要说出原则性理由。标题：发表评论人： jitaowang 对 1 楼对话的评论：博主聪明伶俐，聪明有时也会卡壳。态度不错表示请拿出水平批判一下虚心招批。曹博士是能人表示等人评说，我坐沙发以静观之。可能需要的是高人点拨。我是半途出家之人，根底不深。博主回复：呵呵，王教授来了，欢迎。我既不聪明更不伶俐啊。您说的卡壳不知从何说起，我实在不知所云！我欢迎任何人就论文进行评论。学术、文化都是通过在各种场合中宣讲、演示、介绍而传播开的。您是不是请曹博士出手来批判一下？谁来批判我都很高兴，如果谁能指出一个原则性错误，那我就不再宣传我的这个论文啦。 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=257467 熵：一个不是物理量的概念（论文重点摘录）学者张树风发表于 2009-9-24 4: 09:59 标题：发表评论人： jitaowang 重新定义的故事这是十多年前我亲身经历的一个真实故事。有人作了重新定义，于是就说：开尔文、麦克斯韦和吉布斯都错了。给他指出作了重新定义当面还不承认。于是我就对人讲了一个故事中的故事。如果有人把曹雪芹的红楼梦，重新定义一下。把红定义为蓝，把女定义为男等等，然后就说曹雪芹是胡言乱语。结果马上就可以完成了一本新书蓝楼梦，其结局很可能是林妹妹嫁给了林老爷。其实洞房中只有可悲的林黛玉一个人。博主回复：呵呵，王教授也变得八卦了，态度不端正、不科学。要讨论就要就事论事，讨论理论问题，说出道理，象你这种议论和站在大街上的八卦妇女有什么区别，实在低级啊。要讨论就拿点儿水平出来，我欢迎讨论，但不喜欢八卦！ http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=267299 最愚蠢的理论熵理论学者张树风发表于 2009-11-3 21: 11:51 标题：发表评论人： jitaowang 1. 借鉴巴黎科学院的原则。对任何反对或篡改热力学第二定律的态度是：一不怕反对，二不屑批，点到为止，顺其自然，自生自灭 , 历史上知多少。以免对科学网引起不必要的污染。 2. 置顶前文中的热功倒置混淆，和我 10 多年前所讲的故事，即红楼梦变成蓝楼梦后男女倒置混淆的故事，有太多相像之处。不得不晒出经验共享借鉴。就蓝楼梦的具体内容来讨论可能是多余的。博主可以把体系对外作功和环境对体系作功用箭头像卡诺循环吸热和放热一样在图中标出。 3. 不是原则的原则：重新定义惹的祸，要由重新定义者自己解套。旁人可以协助。如果把五千个汉字重新定义一下，就可能是天下乌鸦白鸭一般黑了。 4. 跳上大街，很自然，说明触到神经，点中要害。这样就可以推进思考，思考也需要时间。博主回复：呵呵，王教授，你急什么，如果我的论文不对，您不理就是了。说八卦就是一比方。您好好写您的书，不会有影响的。我的论文早就在学术期刊发表了，您看不是没什么影响吗。您要保重身体。因为评论中是无法插图，我只能说：博主可以把体系对外作功和环境对体系作功用箭头像卡诺循环吸热和放热一样在图中标出。看来不是思考的时间问题，等于白说，并希望我保重身体，少说。现在我把插图列在下方，供共同参考。左边的卡诺热机是能量守恒的， W = Q 1 - Q 2 。 Q 1 是靠烧煤蒸汽得来的，因此就把 W 和 Q 1 的比值称为烧煤蒸汽作功的效率，简称热功转换效率或效率。右边的 TV 公鸡是不吃不拉生了两个公 ( 功 ) 蛋： 1. W ， 2. ( W 1 W 2 ) 。能量不守恒，效率应该是无穷大。也可能是右边的图我画得不对，如果 TV 公鸡不吃不拉只生了一个蛋，那末还是能量不守恒，效率应该还是无穷大。如果 TV 公鸡不吃不拉不生蛋，那么效率又从何而来？早在 9 月 24 日 boxcar 评论中就指出：功和热量有着本质的区别，不能简单地进行等同。附上相关内容。 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=257467 熵：一个不是物理量的概念（论文重点摘录）学者张树风发表于 2009-9-24 4: 09:59 标题：发表评论人： boxcar 功和热量有着本质的区别，不能简单地进行等同。博主回复：功和热量有着本质的区别，不能简单地进行等同，有点不知所云，呵呵建议你好好学学。

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说热机效率，话冷却塔

武际可 2009-1-23 16:01

说热机效率，话冷却塔武际可 1712年，英国人托马斯?纽可曼（ThomasNewcomen,1663－1729）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞,在工作时,先把蒸汽导入汽缸,这时汽缸停止供汽而汽缸内进水,蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。这种机器被称为矿山之友。蒸汽机不是英国人瓦特（JamesWatt,1736－1819）的发明，瓦特的贡献是对蒸汽机进行了一系列改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。 1763年，格拉斯哥大学的一位教授委托瓦特修理纽可曼蒸汽机的模型，瓦特当时对蒸汽机所知不多，他便边学边修，并且对蒸汽机产生了浓厚的兴趣。蒸汽机的模型很快就修好了，他从此与蒸汽机结下了不解之缘。他进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率很低，耗费蒸汽太多。为了解决这个问题，瓦特对不同气压之下的水的沸腾现象进行了大量研究。他发现水在大气压之下变为蒸汽时，体积扩大了1800倍。进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率之所以低是由于在用水去冷却汽缸时，汽缸的温度变冷了，这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加热。 1765年5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法，这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进，他的装有冷凝器的蒸汽机在1769年制成了，并在同年的4月25日提出了专利。新的蒸汽机效率提高了很多。图示在左下方的水箱便是瓦特添加的冷凝器。瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器，这大约是1782年前后的事情。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力作用下，由于转动快而升高，这时通过与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而蒸汽机的转速也便可以降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球的位置也便下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。离心调速器是一个基于力学原理的发明，他是蒸汽机所以能普及应用的关键,也是人类自动调节与自动控制的开始。由于人们能够自由地控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有产业革命的第二阶段。最早从理论上讨论蒸汽机的热效率的是法国人卡诺（NicolasLonardSadiCarnot,1796－1832）。卡诺出身于法国的望族，他的父亲是法兰西第一共和国拿破伦一世政府的重要官员，他的侄儿后来在法国第三共和国中担任了总统，而他却没有从政，成为一名科学家。不幸的是他在36岁时便死于流行霍乱。瓦特改进了蒸汽机后，尽管效率有很大提高，但是仍然很低。在卡诺的时代，只有4－5％。卡诺为热机产生的功率问题所吸引，他从一般的观点提出问题：一架热机的效率最大能达到多大？在1824年出版了他的研究结果，题为《论火的动力》小册子。这本小册子只有66页的篇幅，也是他一生中唯一的科学著作。卡诺的结论是，热机的最高效率取决于热机内的温度差。对于一般的蒸汽机来说，令T1是蒸汽的绝对温度，T2是冷凝器的绝对温度，则热机所能达到的最大效率为 =（T1-T2）/T1。这个式子说明，热机的效率只取决于这里的两个温度，而与热机使用的是什么介质，是水、是空气无关，也与在热机中的温度是怎样变化的，是快、是慢，是均匀、是不均匀无关。卡诺的研究结果表明，热量从高温物体向低温物体的趋势使我们不可能从给定的热量获取最大的，即效率为1的机械功。这便是后来称为热力学第二定律的内容。卡诺所讨论的是蒸汽机，后来人们把通过热来做功，即把热能转换为机械能的机器，或者是把机械能转换为热的机器，例如制冷机，空调机，等统称为热机。卡诺研究的结论启示我们，要提高热机的效率必须向两个方向去努力：其一是提高机器入口处介质的温度，其二是降低机器出口处介质的温度。提高温度有一个限制，这就是热机材料在高温下会变得不结实。例如钢铁，在摄氏1200就会熔化，不能承受任何压力，在摄氏600以上就会变软，在一定的高压下会缓慢地变形而导致破坏。所以通常用钢铁制造的蒸汽机或汽轮机，蒸汽的温度大约不能超过560C，即绝对温度大约不超过840K。一般航空用的发动机，是用特殊材料制造的，燃气温度可以达到1200C。由于温度提高了效率会提高许多。所以为了提高热机入口的温度，需要研究新的耐高温的材料。普通可行的提高热机效率的办法，是降低热机出口的温度。这就是，要对热机出口的介质进行冷却。就以通常的汽轮发电机来说，它的蒸汽入口温度是大约560C（833K），出口温度大约是40C（313K），它的热效率是0.62。这个效率当然是在十分理想的情况下计算得到的。实际用燃烧煤来发电，效率还会因为锅炉和其他部分的热损失降低很多。现在如果把出口温度降低10C，效率就会变成0.64。即效率提高了0.02。如果把它换算成输出功的百分比，降温得到的输出功率增加了0.03。可别小看这通过降低出口温度提高的这0.03的输出效率。就以华北电网来说，它的发电装机容量大约是7000万千瓦，它的0.03是210万千瓦。按通常的城市电费以每度（每千瓦小时）0.4元来计算。210万千瓦，每小时电费是84万元，每天就是2016万元。一年就可以达到70多亿！这是一个相当大的数字。所以靠降低热机出口温度来提高效率，节约能源的效果是相当可观的。用什么办法来使汽轮机的出口温度降低呢？自然界最容易得到的，热容量又比较大的物质就算水了。所以通常都是用水来冷却的。一座大型发电厂对冷却水的需求量之大是惊人的．一台十万千瓦的发电机，大约需要3m／s的水流量去冷却，即是说一座百万千瓦的发电厂，需冷却水约30m／s．需知北京市的用电量是数百万千瓦，而像北京城边的永定河平均流量只有20m/s左右，何况天旱时河水还会断流。而且直接用河水冷却后，水温上升，再排入河中，还会产生热污染的严重问题。冷却塔就是为解决这一难题而建造的。如果你远望一座大型发电厂，最引人注目的是一座或数座顶端冒白汽、外形为旋转双曲面的庞然大物，这就是冷却塔．它们是用来做什么的？粗略地说，是为了提供发电设备冷却水用的。冷却塔的工作原理如图，冷却热机的水被热机加热后，用泵打到塔筒的淋水装置h高程，然后以淋水方式喷洒下来，在降落的过程中，水被空气冷却了而空气却被加热了，加热后的空气比重减小，所受浮力增大，在浮力作用下，空气上升到塔顶冒出。塔愈高，空气浮力愈大，空气上升速度也愈大，冷却效率也愈好。冷却后的水降入水池，然后再被用于冷却热机，循环不已。所以冷却塔在缺水区建电厂是绝对必需的。用冷却塔冷却可以比用直流水冷却省水97％，并且使水温平均降低11C。其中3％的水是随空气上升的水蒸气散发到空气中去了。对于缺水的地区，损失的这3％的水，其数量也是相当可观的。为了节约这部分水，冷却塔被做成干式的。即热交换不是用水淋下来的方式，而是让热水通过像暖气片那样的热交换器来实现。水蒸气就不会跑到大气中去了。不过，干式冷却塔的效率一般说是要低些。设计冷却塔需要很精细地计算冷却塔内的空气和水进行热交换，估计一座发电厂需要建造多大的冷却塔，淋水面积需要多大，冷却效率怎样。设计冷却塔的另一个困难是它的强度。冷却塔的结构主体是一种典型的薄壳结构。目前典型的大型冷却塔大约高150m，底部直径大约是150m，就是说，它的底部可以容纳一个足球场。然而它的厚度却很薄，最薄处只有20cm。如果将冷却塔成比例地缩小到鸡蛋壳直径大小，则它比鸡蛋壳还要薄，仅及鸡蛋壳厚度的1／5。这大概也就是冷却塔结构分析的难度所在.从20世纪初冷却塔面世以来，随着发电机组容量加大，冷却塔也愈高大。1965年11月1日，英国渡桥电厂的8座冷却塔在8级风中倒掉了3座．1973年9月27日，英国Ardeer又在大风中倒掉了1座冷却塔。之后，国外在地基下沉，以及施工期都有倒塔事故的报道。这些事故引起了国际上的普遍注意，事实说明在设计冷却塔时，对它的外载与应力分析应当给以格外充分的注意。上面说的是发电热机的冷却问题，对于制冷机、空调机等设备，为了提高效率，也有冷却的问题。特别是对于那种大型建筑的集中空调，或大型冷库。也需要在房顶或适当的地方建造一个冷却塔。不过这种冷却塔规模很小。没法和发电厂的冷却塔相比。如图就是一座典型的这类冷却塔。为了提高航空发动机的效率也需要冷却发动机出口的温度，不过这时就不能使用水来冷却了，一般要使用快速流动的空气或别的介质。这类高效率的冷却方案需要更精细的研究。而提高冷却的效率方案，不管对蒸汽机、汽轮机、燃气轮机，还是对制冷机，迄今一直是人们努力研究的方向。为《物理教学》特约稿，2007年第3期第2-4页

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再谈温差发电方案－和张学文老师

iwesun 2009-1-6 00:05

再谈温差发电方案－和张学文老师　　张学文老师在2004年就提出，塔里木盆地应当建成为我国最大的太阳能基地，详见《也谈温度差发电等问题》，确实是一个很有建设性的方案，俺在详细探讨一下，温差发电的可行性方案。　　太阳能，是人类一直都想利用，但确有老虎吃天，无从下手的感觉。　　俺不分析太阳能的特点了，大家耳熟能详，略微分析一下工程的要求。　　廉价是第一位的，高效是需要不断努力的，环境是必须需要考虑的。（你别以为，搞出许多风车，就不算是环境污染了，俺看着这东东就心烦，你说算不算污染？）　　廉价的要求，直接排出了太阳能电池、温差热电偶的方式，温差热电偶也许未来能有有前途，但目前俺还是不敢想象几千平方公里的热电偶阵列，每平米3～5元，是不现实的，即使实现了，仍然价格太高。　　任何能源装置都有两个需求，一个是集中式的，一个是分布式的，在这两个运用中，俺个人还是看好传统的热机模式。　　第一媒介（直接媒介），第一得要求廉价，水是无可争议的，第二个要求是热容，水也是当之无愧的，水做为储能介质，也是很合适的。温差作为一个广泛存在的能源形势，是广泛的，基本不受昼夜和季节的变化，而发生剧烈变化。　　第二媒介，还是要求廉价，直接采用热电偶的形式，仍然会成本太高，氟利昂及其衍生物，仍然是首选，目前已经存在沸点在室温的温差之内的媒介，这一块，其实很成熟。　　具体的水库的设计，可以使双库，甚至是三库等多库设计，不一定非得直接利用水的自然温度梯度，这样的方案是很灵活多样的，大家都是专家，俺就不班门弄斧了。　　温差发电的核心，仍然是低温（压）差的热机的设计和实现，如果能够高效廉价地实现低温（压）差的热机，温差发电是很有前途的运用。　　最近国家再搞风能发电，其实温差发电比风能发电更有前景，也更有社会和环境价值。　　低温（压）差的热机，不但可以实现集中式运用，对于分布式的运用，也可以良好的支持，智能大厦，智能小区，都可以与环境景观设计融为一体(不就是个水池么？大家都会喜欢。) ，实现真正的绿色能源。

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