原创梦发现探索www.oridream.com爱因之梦 冒险

另类“永动机”：热效率趋向100%的能量利用新途径I:从无序有序到New Way for Energy Use of Efficiency of Heat Engine to Tend Toward 100%

上次编辑时间2002-12-03 23:05

您是第 位时间本质奥秘探索爱好者

信息实质新定义1

信息守恒律

热效率趋向100%的能量利用新途径: II. 量子化内能的分解及有序化的演变

original@oridream.com

  中国工程热物理学会

New Way for Energy Use of Efficiency of Heat Engine to Tend Toward 100%

    Deng Yu*, Deng Hai.(*Research Institute of Hypertension and Diabets Beijing,

                 Jiu Xian Qiao Hospital, Beijing 100016).

   Abstract: The efficiency or the complex efficiency for traditional heat engine have two limits 1/3 and 1/2 which are insurmountable. If used entropy expresses formulas of the efficiency of heat engine and the inter-energy, and equation of state is sequenced,it will appear a new engine of highest efficiency in order which does work from micro-order to macro-order, its energies of work increase 3 times, efficiency tend toward 1, but temperature is not increase.

  Key Words:   Efficiency of Heat Engine     Permanent Engine     Banks' Engine

           Entropy     Thermodynamics     Kinetics    Orderly Engine

        热效率趋向100%的能量利用新途径I:从无序到有序

           邓宇(北京酒仙桥医院 北京高血压糖尿病研究所,100016),邓海.

    摘要 传统热机的热效率或复合效率有两个无法逾越的极限1/3和1/2.若热效率及内能公式等用熵表示,且状态方程有序化后,由微观有序向宏观有序做功的新型高效有序机就显露出来了,他使热机的做功能力提高三倍,效率趋向1,温度不升高.

    关键词    热效率    有序机    班克斯热机    永动机    熵    热力学  动力学 

    世上许多过去认为不可能的事,现在确成为可能.而许多现在认为不可能的事,将来又变成可能.激光,超导等是这样."热"效率趋向100%的有序动力机,超导热体等也会这样."班克斯热机"已经走在了前头.

    传统热力学,是在自然发生的热现象基础上建立的.他的实质就是研究"微观上的无序运动",而未涉及或忽视,忘记了"微观有序运动"及与"宏观有序做功"间的关系.以往,传统热力学只限于对自然发生的"微观无序热运动",与总体上宏观做功的"准有序运动"间的相互关系的研究,而没有注意到更高效率的,直接从微观有序到宏观有序的动力机.由于无序运动的结果就会产热,而有序运动确可以做功.因此,传统的由微观无序热运动向宏观准有序做功的热机,自然会有相当一部分能量损失在产热的粒子的微观无序热运动中,故此类热机的热效率很难达到1,并且其差距肯定会较大,现有热机的效率<50%就是明证.

    在理想气体运动论中,压强是粒子微观无序热运动的平均化的结果,即Px=Py=Pz=P,

               PV=(2/3)NEk =(1/3)mv²N           (1)

也就是说,在X轴方向上的压力(能量)只用到了系统总压力(动能)的1/3,而其他的2/3的部分被耗在Y和Z方向上了.如果使气体粒子的运动方向有序,且都指向X轴的方向,由

               V²=V_x²+V_y²+V_z²

即       →

           Vx²=3Vx²=3v²=V²

则             →              →

               PxV=(1/3)mV²N=(1/3)mVx²N 

                  =(1/3)m3Vx²N

                  =mVx²N

                  =2E_KN                 (2)

                         →

比较(1),(2)两式,可以看出Px>P

                →

                Px=3P=3NRT/V              (3)

运动有序化后,Y,Z两方向的动能(能量,功)都集中到X轴方向,能量增大三倍且可以得到充分利用.

    其实,热效率公式本身是与有序度指标"熵变"(用简化的S表示)有联系的.即

             ηs=A/Q=1 -(T₂/T₁)

            =1 -(T₂/Q₁)S                (4)

若当热机内的微观粒子的运动有序,并向宏观有序发展(做功)时,即熵S→0,则(T₂/Q₁)S→0,

               ηs→1

如果微观粒子的运动无序时,0≤η<<1.

    如果让(4)式中的 Q用系统总的可做功的能量表示,即

              Q=3PV或Q=U=3PV

则传统热机的热效率

         η₀=A/Q=PV/3PV

            =1/3

他就是传统热机效率的一个界限,也就是为什么传统热机的效率不易提高的根本原因.

    当微观运动有序时,由(2),(3)两式知A=3PV,故新式有序动力机的效率

         ηs=A/Q=3PV/3PV

            =1

显然,"热"机(发动机)效率是可以达到或趋向理想值100%的.

    热力学中的热量Q和功W都是与有序度指标"熵"有联系的.由dS=dQ/T和W=-PV=-NRT可知

              Q=ST                            (5)

              W=-NRQ/S                        (6)

显然,相对于熵S来说,Q与W是互逆的,即Q增W减,Q降W升.当系统的有序度增高时,或S→0,"无用"的热Q降低,或Q→0,而有用功W确增加,效率达到极高η→1;反之,当系统的无序度提高,有序度降低时,热Q增加,功W降低或W→0,无功可做,效率最低η→0.

    由热力学第一定律 U=Q+W,及(5),(6)式,可以推出内能U及热量Q和功W与熵之间的关系式

               U=  Q + W

            = ST - NRQ/S                          (7)

或           

              dU= dQ + dW   

            =TdS - PdV

            =TdS - NRTdV/V

            =TdS - NRdVdQ/VdS  `&20`                 (7')

使             Q ∝ 1/W

当粒子做有序运动(平动)时,如S→0或S=0,则ST→0,(7)式就有

               U= -NRQ/S = W

表明内能可以全部做有序功,而不产热(没有无序平动).热力学第一定律就转变成为动力学的,此过程就可以用动力学处理,效率也最高,且有望等于1;当微观粒子做无序运动时,S→∞,NRQ/S→0,故(7)式得

               U= ST = Q

内能全部转化为粒子的无序,无规则的热运动,而不做功,效率最低.

    当使经验化的热力学第一定律与有序度指标熵发生联系时(见(7)式),第一定律便显露出了更多的本质内涵.他揭示了热力学与动力学之间的内在联系,阐明了粒子的微观,宏观,有序,无序(微观无序,微观有序与宏观整体有序和准有序)运动间的相互关系.并借助熵,架起了连接热力学和动力学,粒子运动的微观和宏观,有序和无序之间的桥梁.

               传统"无序"热机              │      "有序"动力机  

        微观"无序"      ─────→   准宏观"有序"│  微观"有序"─→宏观"有序"

           蒸汽机─→内燃机─→燃气(喷气)机┉┉┼┉┉→"有序动力机"

"热"机效率 η   0              1/3              1/2    │             1 (100%)

有序度           低   ────────────────→    高

 熵 S         ∞←S   ←────────────────          S→0

  1/S         0←1/S      ────────────────→         1/S→∞

             桥                       bridge           →

   PV=(2/3)NEk  ┌────── ∞←───S───→0───────┐  2NEk=3PV=PxV

     =NRTk     热力学←────Q=U←┄→Q+W=U←┄→U=W────→动力学    =NRTr,z

                   └──U=ST- NRQ/S──┘

    由此可见,要想使热机的效率最高,就得使系统的内能产热最少,做功最多,也就是要使微观粒子运动的有序度增高,无序度降低,以便达到系统总体的宏观运动的高度有序,而做有用功.也就是使统计熵

               S=klnW

中的微观状态数W=1,则S=0,Q₁→0(或Q₁=0),T₁→0(即,或ΔT₁=0).这点正好与传统的提高热机效率的观点相背,并且它才是动力机(此时已不再称为热机了)效率提高的关键环节,象激光一样.

    传统提高热机效率的观点认为,应尽量提高热机的温度T₁,使T₁→∞,又降低T₂→0,才能使热机效率

η=1-(T₂/T₁)→1.

而提高热机温度T₁,也就是使系统的微观混乱度更大,这也就使得粒子运动的微观秩序(动能)与整体宏观的有序做功间的差距更为加大,使能量从无序到有序转化的阻力增大,损耗增加,效率降低.另外,由卡诺热机就已经知到,T₁与T₂之间的关系早已被限定了,即

           T₂/T₁=Q₂/Q₁=c_i

则           η= 1 - T₂/T₁

               = 1 - c`-`i`!`

0≤η＜＜1.即热机温度T₁升高,T₂也必然提高,故热机效率不会直接提高,只能靠其他方法或途径补救,补救的结果也不会理想,总是η_n≤50%.陶瓷绝热发动机等就是这样.

    若系统可做功的总能量U=-3PV=-3NRT₁=Q,则传统热机所做的功W=-PV=-NRT₁,热力学第一定律可写成

             U=Q₂ + W

            Q₂=-3NRT₁ + NRT₁

              =-2NRT₁

Q₂是热机排出的热量;若系统只产热,不做功(非体积功),则总能量Q₁=U=Q=-3NRT₁,得

            c_i=Q₂/Q₁=T₂/T₁=2/3

这是直接或第一次做功的卡诺比,他的一次效率不高,最多只有η₁≤1/3.如果热机还有二次或更多级的做功途径和方式,则二次功的热效率又是一次功效率的1/3,即η₂=η₁/3,…,由此可得到对n级热机的复合热效率关系式

           η_n=1/3+1/3²+1/3³+ … +1/3ⁿ

              =(∑3ⁱ)/3ⁿ                        (8)

但        lim η_n= lim (∑3ⁱ)/3ⁿ=1/2

         n→∞    n→∞

            η_n≤1/2

因此,按传统方法制出的热机,它的效率最高也只能达到1/2这个极限,不会再高.陶瓷绝热机,燃气机等可看成是多级热机,它们的热效率到头也只能是50%(1/2).只有从新的原理,新的视角出发,用新的方法才能获得高效率的,η→1的动力机.

    陶瓷热机在制造之前,它的效率就已经被传统理论限定住了.由上可知,能量从无序到有序的转换,其效率不会很高,而陶瓷热机的出发点还没能跳出传统热机理论的圈子和限制,他还只停留在从微观无序到准宏观有序的传统的自然阶段.现在的热机还多是先产热,使温度升高,熵值增加,无序度也增强.然后再回过头来控制这热流,使其绝热,并尽力控制这热流的运动,传输方向,以达到准有序.此种过程多了道手续,造成大部分能量的损失.他就象探照灯,用抛物面镜将无序的光变成准有序的"准平行"光柱,而不是真有序的高度平行的高能,高效激光.

    由统计热力学的熵式,同样能有类似式(7)和(7')的结果.对定域子系

           S=klnq^N+U/T

则         U=ST+klnq^NT

            =ST+klnq^NQ/S

等式右边第一项是热量Q,第二项是功W.对离域子系也一样.Q和W是反变关系.

    粒子的微观运动有序化后,粒子的动能都指向X方向(2)式.而在Y,Z方向上,v_y=v_z=0,故

            → →    → →    → →

            P_y =P_z=0, Ey=Ez=0, Ty=Tz=0

他类似流体力学中的侧压力定律.

                                                 →

    通常,只要微观粒子的运动方向总有序,且都指向X,则X轴方向上的平动(能)温度T_Xk=0,有序的平动能没有被转化为无序的热能,使系统的热学特性没有由潜向显显露出来,使他只有力学特征,暂无热学指标Q和T_Xk.但他的系统温度,可以有Tx≠0,他是粒子的无序转动和振动生成的.当微观粒子的有序运动又无序时,如有序粒子束打在温度计上,使温度计内介质的无规运动增强,才有T_Xk≠0,及热显现出来.

    传统热机能量的转换,传递,多是靠系统自发进行的,由粒子的微观无序运动到准宏观,整体的准有序运动,是间接过程.由"热力学第一定律的熵表达式"(7)式可以看出,无序运动会产热,热也会损失,做有用功就会减少,热效率当然不会高.显然,从无序,产热向有序做功的过程(内能→无序热→升温→准有序功)是低效的,故用传统观念制成的热机,他的效率较低.而从微观有序到宏观有序(内能→微观有序运动→宏观有序功)的做功过程是高效的能量传递,转换途径.

    热的生成过程,就是系统的运动(能量)从

        有序→无序→热(温度)  或  直接从无序→无序→热(温度)

的过程,他也是温度形成生长的过程.有序运动不会产热,对dQ=dS/T,dS→0时,dQ→0,温度也就不会变化,

dT=dQ/C→0.有序运动要做功

    热(温度)←×─(无序能量←×─)有序能量─→做功  (有序能量→无序能量→热,温度)

        无序能量→热,温度→准有序能量→做功.

系统的温度是由粒子的无序平动,无序转动和无序振动综合而成.对有序平动的系统,有序的平动能去做功,不产热,不升温.而无序的转动和振动,及非弹性,非线性的碰撞或摩擦维系或显示着体系的温度及其他热学特征.

    有序动力机不是靠提高机器的温度和绝热,而是靠受控微观粒子的有序运动直接向宏观系统的有序做功传输能量.他是在将可能有能量损失的无序热运动产生之前,就将内能传了出去:从有序到有序.也就是在热损耗产生之前就将其限制起来,防患于未然,而且是直接将能量传递出去,损耗极小,甚至为零,效率确最高;而不是象陶瓷绝热发动机,在热(损耗)产生之后,才去控制,绝热,以至于防不胜防,能量照样流失,效率照低.由于此动力机无需经过从无序到准有序的转换过程,也就消除了此转换过程的能量损失,使这部分能量也去做功.因此,提高了做功能力,效率也大大提高.

    传统热力学实际上就是微观粒子的无序运动(平动)与宏观(准有序)现象的动力学.而传统力学研究质点的运动.质点内粒子的微观运动(平动),可以看成是有序的,并与质点的运动方向一致,即传统力学的考察对象是微观有序与宏观有序的运动系统.通过对无序热机与有序动力机的比较,揭示了热力学与力学间的本质关系,并通过熵和热力学第一定律把两者紧密的联系起来.

    用记忆合金制成的"班克斯热机",就是一种有序动力机,他就是从有序→有序的新式准或近永动发动机,效率有趋向100%的趋势.用微观有序向宏观有序行进,做功的"预言",已被"班克斯热机"提早实现.而气功的强劲,奇妙的神力和运动场上观众跺脚频率与建筑物的振动频率一致后,造成建筑物坍塌的结果,都是系统从微观无序向宏观有序,由分散,散在的无规,无序,相互抵消,耗损的低效无序能量向集中,加强的高效有序能量的转化结果的体现.

    微观粒子的运动方向有序化后,三个轴向的动能都被集中到同一方向,使此方向的有序能量骤增三倍,做功能力大大加强,产热近乎停止,机器效率成倍增加,远大于传统热机的1/3和1/2的极限,并趋向100%.这是原有理论没有注意到,而实际上又确实可以实现的,理论上也是完全成立的.他只要从原来的只注重升温绝热,转向注重系统的微观,宏观有序化的转换,就能获得最高效率的,新式准永动机或永动发动机.此微观有序化观点的提出,不仅为高效低能发动机的研制开发开辟了一条新途径,引发动力机的一场新的根本变革,还将借"熵"之手,加深热力学与力学间的联系,及理论和实践的研究,使力学也与"熵"发生了关系,并促进其他学科,如经济和复杂性科学等的发展.

New Way for Energy Use of Efficiency of Heat Engine to Tend Toward 100%

   热效率趋向100%的能量利用新途径: II. 量子化内能的分解及有序化的演变

信息守恒律