卡诺热机证明气体与固体遵守不同的的热动力原理

卡诺热机证明气体与固体遵守不同的的热动力原理摘要：热量向低温传导和固体的热胀冷缩都是经验与事实，发现了固体的热胀冷缩等物理性质可以使单一热源的热量转化为有用功，同时产生温差。由于新的热动力原理与热力学第二定律的实现途径不同，逻辑上是共存关系。运用卡诺热机能证明气体与固体分别遵守不同的热动力原理。关键词：卡诺热机卡诺定理热力学第二定律P—V图物理界前辈王季陶在《卡诺定理和热力学第二定律须正确扩展》中空洞地反对新的热动力原理，其回避了固体的物理性质可以使热转化为有用功，同时产生温差的论断，实际偏题了。不过“卡”文的严谨值得借鉴。本文同时与其商榷。1卡诺热机的作用和意义卡诺热机是在理想条件下循环对热功转化的概括，具有普适性、简单性、客观性。它是提炼和证明物质所具有的热力学规律的格式及工具。关于热量向低温传导和固体的热胀冷缩的事实与经验，通过卡诺热机能够证明气体和固体物质遵守两个不同的热动力原理。2卡诺热机证明卡诺定理和热力学第二定律及新的热动力原理关于卡诺定理和热力学第二定律在大学物理教材上有详细的证明过程参考。2.1卡诺定理卡诺热机是以理想气体为工作物质，气体在卡诺热机中的准静态（平衡过程）的循环过程中只与一个恒定的高温热源(T1)和另一个恒定的低温热源(T2)交换热量的。卡诺证明卡诺热机循环工作的最大效率为：η=(T1-T2)/T1卡诺提出定理：任何热机的工作效率不可能大于η。其实卡诺定理只能在气体系统中成立。这是由于气体的物理性质决定的：因为气体只有单向的自发膨胀，却不能自发收缩。气体从始态—终态—始态的热量流动过程，由于气体只能在温度升高时有膨胀力增大，因此，卡诺热机只有先达到高温之中，这时才能利用增大的膨胀力来对外做最大功，然后卡诺热机又回到低温之中，再补偿最小功来压缩气体，使其复原。最后，抵消补偿功后，其工作效率不可能为100%，表现为高温和低温之间温差越大，才有越多热量转化功。2.2热力学第二定律高温物体和低温物体接触时，两个物体的温度就要达到热平衡即高温物体温度降低同时低温物体温度升高，根据能量守恒可知是高温物体中的热量流入了低温物体之中，通过分析热量从高温流向低温后，结果证明dS系统≥＆Q/T（S：系统的熵），这个的结论即热力学第二定律，它也只能在气体系统中成立：气体的物理性质不可能把单一热源的热量完全转化为功，而不发生其它变化。这仅仅是对于气体物理性质的经验事实的总结。热力学第二定律的表达却是建立在部分大于整体的基础上，这是个逻辑错误。不是说热力学第二定律不存在，而是它的结论：孤立系统的熵可以增大，但不可能减少是错误的。正是这些错误引发了争议。2.3改变卡诺热机的循环方式的新型热机图1是改变卡诺热机的运行方式的新型热机或系统。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。可见新型热机就是在卡诺热机的下部增加了固体。卡诺热机在绝热过程工作中其热容Cr越大时，温度变化△T越小，反之，热容Cr越小时，则温度变化△T越大。我们利用固体来改变卡诺热机的内部热容：热机在绝热压缩过程中放入固体增大热容，而在绝热膨胀过程中取出固体减小热容，这样就必然使其膨胀与压缩两条绝热线相交，热机改变内部热容就能够从单一热源T1之中取热输出有用功。在这个方式中热机自身能够复原，表面上看它获得的工作效率大于卡诺热机效率η，却留下了把固体留在高温T1之中的痕迹。新型热机只要消除它留在外面高温T1之中的痕迹时，仍然符合气体系统工作原理遵守卡诺定理。改变卡诺热机的循环方式的意义在于：下章分析将发现新型热机直接利用内部固体物质的热涨冷缩等物理性质对外做功，其压缩过程等同于加大热容，而膨涨过程等同于减小热容，结果使2条绝热线能够相交，证明热力学第二定律结论不成立。2.4固体在卡诺热机中的循环工作原理——新的热动力原理新型热机在单一热源之中进行恒温膨胀过程、恒温压缩过程、绝热膨胀过程、绝热压缩过程4个过程的循环工作中，从逻辑上来提出新的热动力原理十分简单：就是新型热机在无摩擦和准静态条件下进行循环工作过程中，同时利用热机内部固体的热胀冷缩等物理性质对外做功，这时，新型热机不仅把热量转化为功输出，同时产生温差——消除熵的效应。注意；关于利用固体的热胀冷缩来做功的方法是已有的经验。本文之中的准静态过程要同时利用热机内部固体的热胀冷缩等物理性质对外做功，它和可逆过程有区别。以下我们就来揭示新型热机的热动力原理。图1的新型热机从某一始态{P2、V2、T2}进行绝热可逆压缩过程a’达到某一终态{P1、V1、T1}后，再进行绝热可逆膨胀过程a。结果正好以相反的顺序重复绝热可逆压缩过程，从某一终态{P1、V1、T1}再回到某一始态{P2、V2、T2}上复原。但是在无摩擦和准静态条件下，图1中的新型热机进行绝热循环过程中，同时利用热机中固体的热胀冷缩等物理性质对外界做功，把热机内的热量转化为功输出，结果新型热机的内部热容改变了。把图1之中的固体用没有弹性的金属螺旋装置替代，使金属的热胀冷缩出现更多的胀伸或收缩表现对外做功，金属中心点固定在热机内部，其热胀冷缩变量为：△L=α×△T×L其中：△L是长度变化，m：α是线膨胀系数，m／m℃：△T是温差，℃:L是长度，m。热机外面设计一个金属胀伸推动或收缩拉动的齿轮做功装置。（1）见图2和图3所示，设新型热机从某一始态开始分别进行绝热准静态压缩过程或者可逆压缩过程，压缩一定体积V达到某一终态。热机得功-W(热机得功为负,做功为正、J)，其内能增加，由于内能是温度的函数，使内部温度升高变化如下:（A）热机进行绝热准静态压缩过程，同时利用热机内部金属的热胀性质对外做功w。那么，热机从外界得功为-W，由于金属同时又对外做功为w，内能增加实际上要小些为：△U准静态=-W+w，热机温度变化为△T’1。（B）热机进行绝热可逆压缩过程，由于不利用热机内部金属的热胀性质对外做功。那么，热机从外界得功-W，这样内能增加为：△U可逆=-W，热机温度变化为△T1，比较（A）、（B）内能变化为：△U准静态＜△U可逆，因此△T’1＜△T1。可见绝热压缩过程热机利用内部金属的热胀对外做功w等于增大热机的内部热容。再把新型热机绝热准静态压缩过程从始态到终态的P—V线，与它的绝热可逆压缩过程从始态到终态的P—V线放在P—V图上比较。图4的P—V图，表示新型热机从某一始态开始压缩一定体积达到某一终态，热机分别经过绝热准静态压缩过程b和绝热可逆压缩过程a’的P—V图。根据查理定律P=nKT（式中P为压强，kgf/m2；n为气体密度，g/L；K为常数；T为温度，K），新型热机经过绝热准静态压缩过程b要利用内部金属的热胀性质对外做功，或者绝热可逆压缩过程a’不利用内部金属热胀性质对外做功，这两种绝热压缩过程分别压缩相同的体积，达到终态时，气体的密度n相同，只有温度T不同。所以，在图4中，新型热机在绝热准静态压缩达到终态时的压强就要小于它在绝热可逆压缩达到终态时的压强。因此，热机经过绝热准静态压缩过程的P—V线b比热机经过绝热可逆压缩过程的P—V线a’来得平一些。（2）见图5和图6所示，设新型热机再从相同终态开始分别进行绝热准静态膨胀过程或者可逆膨胀过程，膨胀一定体积V回复始态。热机做功W，其内能减小，由于内能是温度的函数，使热机内部温度降低的变化如下：（C）热机进行绝热准静态膨胀过程，同时利用热机内部金属的冷缩性质对外做功w。热机对外界做功为W，由于金属同时也对外做功为w，内能减小实际上更多一些为：△U准静态=W+w，热机温度变化为△T2’。（D）热机进行绝热可逆膨胀过程，由于不利用热机内部金属的冷缩性质对外做功，热机对外界做功W，这样其内能减小为：△U可逆=W，热机温度变化为△T2。比较（C）、（D）内能变化为：△U准静态＞△U可逆，因此△T2’＞△T2。可见绝热膨胀过程热机利用内部金属的冷缩对外做功w等于减小了热容。再把新型热机绝热准静态膨胀过程从终态回复始态的P—V线，及其绝热可逆膨胀过程从终态回到始态的P—V线放在P—V图上比较。见图7的P—V图所示，其中表示热机从相同终态开始，膨胀一定体积V，热机分别经过绝热准静态膨胀过程c和绝热可逆膨胀过程a回复始态的P—V图。根据查理定律P=nKT可知，在图7中，新型热机经过绝热准静态膨胀回复低温T2’的压强就要小于它经过绝热可逆膨胀回复始态的压强。因此，热机经过绝热准静态膨胀过程的P—V线c比热机经过绝热可逆膨胀过程的P—V线a来得陡一些。新型热机在绝热准静态膨胀过程中的P—V线c所围成的梯形面积只是热机对外界所做的膨胀功，不能表现热机利用金属的物理性质对外界做的那部分功。所以在图7中的P—V线c用虚线表示。从以上在P—V图上的分析结果可见,新型热机在绝热准静态压缩膨胀循环过程中不仅利用了金属的物理性质对外界做了有用功，同时产生温差——消除熵的效应。证明热量从低温自然回到高温之中的途径存在于固体的物理性质里。新型热机的循环工作：见图8的P—V图，为新型热机的循环工作过程在P—V图上的表现。其中以绝热可逆过程的P—V线a’、a作为参照。开始，新型热机从某一始态A点{P2、V2、T2}进行绝热准静态压缩。由于同时利用了热机内金属的热胀物理性质对外做功，已知其绝热线b来得（比a’）平一些。达到终态B点{P1、V1、T’1}后，同时消除了熵——温差增大。为了使热机能够回到始态A点{P2、V2、T2}上，就先要进行部分体积的高温恒温可逆膨胀达到B’点，（B’点取决于金属的物理性质对外做功的量），然后再从B’点进行余下部分体积的绝热准静态膨胀。由于同时利用热机内金属的冷缩物理性质对外界做功，所以其绝热线c（虚线）来得（比a）陡一些。最后正好回到始态A点上{P2、V2、T2}复原，从而在P—V图上构成了循环。据能量守恒可知：新型热机利用金属的物理性质对外做功W热性质功，高温恒温可逆膨胀输出了有用功，故它每一次循环工作输出的有用功为：W有用功=RT1lnVB’/VB+W热性质功≈2W热性质功。因为固体物质温度升高把热量转化为膨胀力，而温度降低又把热量转化为收缩力，整个循环过程都在把热量转化为功，所以新型热机利用固体的热动力原理时，其输出效率大于η。必须存在热完全转化为功才会有固体的热胀冷缩、热电转化、热磁等物理性质，它们放入新型热机之中必然要表现出新的热动力原理。3结语新的热动力原理是：固体的物理性质可以使热转化为有用功，同时产生温差。能源解放的新工业归谁所有：新的热动力原理揭示了能源解放时代来到。现代出现了日本研制的“热磁发电机”、中国制造的“无偏二极管”都应用了新的热动力原理。“无偏二极管”是人类有史以来最伟大最重要的实验，现在它的输出功率特别微弱，难以实用。本文分析后发现“无偏二极管”还有一个重要特性没有利用，如果有提供条件试验者合作，利用这个特性改造“无偏二极管”就能输出实用功率，能够首先制成免充电手机电池，将来要取代石油，率先引领人类迈出能源解放的第一步。参考文献[1]王季陶.卡诺定理和热动力第二定律须正确扩展[J].复旦学报（自然科学版）2012（1）.[2]刘勇.新型热机改变内部热容发现新的热动力原理[J].科技创新导报,2010(25)：10-11.[3]徐业林.无偏二极管的实验与分析[J].导弹与航天运载技术，2000(3)：53-60.[4]SagawaT,UedaM.Secondlawofthermodynamicswithdiscretequantumfeedbackcontrol[J].PhysRevLett,2008,100:080403.[5]王季陶.现代热力学—基于扩展卡诺定理[M].上海：复旦大学出版社，2010.