热机效率的研究论文

卡诺定理错误及热力学第二定律逻辑推理不成立的证明学物理者必知的逻辑证明卡诺定理错误 及热力学第二定律不成立 源自科技创新导报2010年25期10页 邮箱: 源自科技创新导报2010年25期10页本文旨在探索没有任何假说条件下，认识物质的物理规律时如何遵守逻辑规则推理形成正确结论，今后不被证明存在错误。亚里士多德物理学关于重物下落更快的理论存在一千多年后，某一天被伽里略是用一根绳子链接轻重物体时，推证亚里士多德的物理学错误。我做了一个试验：用两个乒乓球，一个注满水，一个是空的，然后同时从高处落下，现象确实是重的下落更快。说明伽里略的发现并没有改变现象，伽里略和亚里士多德都看见了重物下落更快。但是现象还不是科学，亚里士多德的物理学错误。卡诺定理存在同样的严重缺陷——我们在卡诺热机的内部加入固体物质后产生了随意改变它的热容的新情形，发现卡诺热机的内部热容可以任意改变。实质上就使得理想过程从始态到终态的P—V线可以被任意改变，据此可知在不留下痕迹时热机效率可以大于η。这样逻辑推理就能证明卡诺定理错误。不要因为看见了热从高温向低温流动的现象就认为热力学第二定律成立。如果一个理论在逻辑形式上表达出现错误，那就难以成立。摘 要：新型理想热机就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，以前科研工作者还没有发现卡诺热机存在可以随意改变热容这个严重问题。对它的循环工作进行分析发现最高理想工作效率大于η，这样从逻辑形式上证明卡诺定理不成立。关键词：卡诺热机，卡诺定理，热力学第二定律自然界的热量通过温差的形式能转化为有用功后输出动力。1824年，法国工程师卡诺经过对蒸汽机的研究，总结了蒸汽机循环工作的四个过程，即高温恒温膨胀过程、绝热膨胀过程、低温恒温压缩过程、绝热压缩过程。提出了被称为卡诺热机的理想热机 [1]，证明了利用温差的形式产生动力的热机使热量完全转化为有用功的最高工作效率η为[2]：η=(T1-T2)/T1 （式中η卡诺热机效率，T1表示高温，T2表示低温。）卡诺还在证明卡诺热机的循环工作效率的基础上建立了卡诺定理[2]：在理想条件下，任何热机使热量转化为有用功的效率不可能大于η[3]，任何热机无法从单一热源获得有用功。后来，克劳修斯在卡诺定理的基础上建立了热力学第二定律。根据热力学第二定律，热机从单一热源取热作功，就要产生熵 (痕迹) [4]。1新型理想热机 图1 新型理想热机图1是新型理想热机或系统。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Cr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Cr气和固体物质的热容Cr固之和即: Cr气 + Cr固 。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÷Cr（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 / m2：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，那么逻辑推理就能够证明卡诺定理逻辑上不成立：首先，取卡诺热机置于低温T2之中，在它的内部增加固体物质，使其内部热容随意变大为理想气体热容Cr气的4倍，开始让其从低温T2状态{P2、V2、T2}进行绝热压缩过程达到高温T1状态{P1、V1、T1}[5]，设定活塞压缩的运动距离为1米。然后，先让其在高温热源T1之中进行高温恒温膨胀从热源T1中取热输出功，令活塞膨胀1/2米的运动距离。之后，把卡诺热机内部的固体物质取出，使其内部热容恢复到理想气体的热容Cr气。这时，再让其从高温T1{P1/2、V1/2、T1}开始进行绝热膨胀过程，因为卡诺热机的内部热容变得很小，只有绝热压缩过程的1/4倍，那么，活塞膨胀只需要余下的 1/2 米的运动距离，最后就能够回到低温T2状态{P2、V2、T2}上复原。由于它的膨胀复原过程中存在高温恒温膨胀取热输出功。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η。如果把这个过程循环下去，它就能够不断从单一热源T1取热输出有用功。由于我们在高温T1之中取出了固体物质，这不是痕迹。仍然可以利用固体物质改变卡诺热机的内部热容输出有用功：我们可以另取一个卡诺热机，置于高温T1之中，在它的内部增加固体物质改变内部热容为Cr气的4倍，开始，让其从高温T1状态{P1、V1、T1}进行绝热膨胀过程达到低温T2状态{P2、V2、T2}，并且设定活塞膨胀的运动距离为1米。然后，（利用绝热膨胀得到的输出功）对其进行低温恒温压缩在低温热源T2之中放热耗用功，令活塞压缩1/2米的运动距离。之后，把卡诺热机内部的固体物质取出，使其内部热容恢复为Cr气。这时，再让其从低温T2进行绝热压缩过程，因为它的内部热容变得很小，只有绝热膨胀过程的1/4倍，那么，活塞压缩只需要余下的 1/2 米的运动距离，最后就能够回到高温T1状态{P1、V1、T1}上复原。由于它的压缩复原过程中存在低温恒温压缩放热耗用功。结果是其膨胀过程输出功大于压缩过程耗用功。这样就让高温T1之中的固体物质又回到了低温T2，不会留下痕迹。以上利用固体物质改变卡诺热机的内部热容的两个方式中，关键是存在高温恒温膨胀从高温热源T1中取热输出功，与低温恒温压缩在低温热源T2之中放热耗用功，从而保证了它在改变内部热容后复原时获得的效率逻辑上大于η。证明卡诺定理错误。因此：在增加了固体物质后的卡诺热机进行的绝热膨胀和压缩工作过程中，如果我们利用固体物质的热胀冷缩、热磁、热电这样几种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也不留下任何痕迹。所以：热力学第二定律结论不成立。亚里士多德物理学关于重物下落更快的理论存在一千多年后，某一天被伽里略是用一根绳子链接轻重物体时，推证亚里士多德的物理学错误。我做了一个试验：用两个乒乓球，一个注满水，一个是空的，然后同时从高处落下，现象确实是重的下落更快。说明伽里略的发现并没有改变现象，伽里略和亚里士多德都看见了重物下落更快。但是现象还不是科学，亚里士多德的物理学错误。卡诺定理存在同样的严重缺陷，我们在卡诺热机的内部加入固体物质后产生了随意改变它的热容的新情形。实质上就使得理想过程从始态到终态的P—V线可以被任意改变，据此可知在不留下痕迹时热机效率可以大于η。不要因为看见了热从高温向低温流动的现象就认为热力学第二定律成立。如果一个理论在逻辑形式上表达出现错误，那就难以成立。现代又出现了一类新型热机和装置，例如日本研制的“热磁发电机”[7]、中国制造的“无偏二极管’’[8]。反映出自然界还存在一个热动力原理。今后：根据这个新型热机探索物理可以揭示更多的热动力规律。[1] 印永嘉、李大珍编：《物理化学教程》，高等教育出版社，1990年修订本。 [2] 靳海芹 ,王筠.热机及其效率研究[J] .湖北第二师范学院学报,2009,26( 8) [3]董艳红.卡诺定理的证明[J] .佳木斯大学学报(自然科学版),2009,27(4) [4]路俊哲 ,吴建琴 ,马晓栋.关于熵的理解上的几个问题[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2007,26（1） [5]吴建琴 ,马晓栋.循环过程的基本特征[J] .新疆师范大学学报(自然科学版),2008(2) [6]孟振庭 .热量概念的进一步探讨[J].陕西师范大学学报(自然科学版) [7]日本新技术情报志[R].1983（10） [8]徐业林.单一室温环境获得能量的实验与研究[M]. 第一版.科学出版社,1988

热机热引擎或称热机是能够将热源提供的一部分热量转化成为对外输出的机械能的机器。热机对外输出的机械能称为输出功。热机的工作模式一般可以简化为热力学循环的模型，热机的种类也按背后不同的热学模型命名，比如卡诺热机、迪塞尔热机等等。此外，按照热源或工作特性，也各自有约定成俗的名称，如柴油机、汽油机、蒸汽机等等。热机可以是开放系统，也可以是封闭系统。热源可以是使用煤的蒸汽炉，汽车发动机的燃烧室，也可以是太阳能的蒸汽炉，地热和核反应堆。热机分为内燃机和外燃机两种。人们一方面利用已经有的热能，或者燃烧燃料来创造热能给热力发动机，而另一方面却在浪费很多的热能，比如很多电厂不得不利用大量的水来冷却。法国工程师尼古拉·卡诺在1824年的研究推出了卡诺定理。这个定理表示即使是一个理想热机，它利用热能转化成机械能的效率也低于100%。这个公式是：效率 = 有用功/注入系统中的能量对所有热机对一个卡诺热机来说，这个公式变为：在这里，是高温热源给工作系统的热量，是低温热源给工作系统的热量（是负值）。熵变化量表示变化量卡诺热机中之图上之点，最后会回到原来的点，所以代入熵变化量式子将上式代入上上式只适用于卡诺热机根据卡诺提出的定理：在这里，和是温度以卡尔文为单位，等号仅当热机循环是可逆的时候成立。从而我们可以得出：[1]从这个公式我们可以看出，要得到100%的效率，低温热源需要在绝对零度下，或者高温热源温度无限大。

法国数学家和工程学家萨迪·卡诺的父亲拉札尔·卡诺（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了这类问题，在他的著作中讨论了各种机械的效率，隐讳地提出这样一个观念：设计低劣的机器往往有“丢失”或“浪费”。当时，在水力学中有一条卡诺原理，就是拉札尔·卡诺提出的，说的是效率最大的条件是传送动力时不出现振动和湍流，这实际上反映了能量守恒的普遍规律。他的研究对他的儿子有深刻影响。1824年萨迪·卡诺发表了著名论文《关于火的动力及适于发展这一动力的机器的思考》，提出了在热机理论中有重要地位的卡诺定理，这个定理后来成了热力学第二定律的先导。他写道①：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作物质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且要建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作物质，也不论以什么方法来运转它们。”卡诺取最普遍的形式进行研究的方法，充分体现了热力学的精髓。他撇开一切次要因素，径直选取一个理想循环，由此建立热量和其转移过程中所作功之间的理论联系。他首先作了如下假设：“设想两个物体A与B，各保持于恒温，A的温度高于B；两者不论取出热或获得热，均不引起温度变化，其作用就象是两个无限大的热质之库。我们称A为热源，称B为冷凝器。”如图2－4。