在大家的常规意识中,只有燃烧矿物能源或进行核反应后,才能有能量释放出来,让空气或水升温甚至汽化蒸发等,然后才能用高温燃气或水蒸气推动发动机运转,进而对外做功。

其实,这是一个常识性误区,在地球大气层以内的所有物质,包括固体、液体和气体等物质在内,其内部都蕴含有焓、㶲(内能)和熵等热力学能量,而且这些热力学能量均来自太阳。只是发动机只能用流体(气体、液体及其混合物),不能用固体(包括冰),所以本文的讨论对象只针对流体。

根据热力学第三定律:一般情况下,①当封闭系统达到稳定平衡时,熵为最大值;②在任何自发过程中,熵总是增加;③在绝热可逆过程中,熵增等于零; ④在绝对零度(约-273℃)时,任何完美晶体的熵为零。

该定律有四层意思,本文不讨论前三层意思。对于第四层意思:“在绝对零度(约-273℃)时,任何完美晶体的熵为零”,其含义为,当物质处于绝对零度时,其内部的热力学能量,包括焓、㶲(内能)和熵等均为零,即没有热力学能量,物质就不会发生热传导、热辐射、热对流等热量传递过程,更不能对外做功。

所以,地球大气层以内的空气和自然水等物质,只要其温度高于绝对零度(约-273℃),其熵都不为零,即物质内部蕴含有焓、㶲(内能)和熵等热力学能量,可以进行热传导、热辐射、热对流等热量传递过程,也可以用于发动机对外做功。

我们先说空气,在地球表面,适合人类生存的空气温度一般要高于-50℃,大大高于绝对零度,所以空气中含有大量大量的太阳能(据估算,太阳每天输送给地球的太阳能约为目前全球能耗的10000倍以上)。根据热力学第二定律:“热量总是能够自发地从高温物体转移到低温物体”,只要被蒸发的物质的蒸发温度低于-50℃,就可以利用空气所蕴含的热力学能量去蒸发低温物质,如蒸发温度低于-70℃的制冷剂R14(四氟化碳),再用R14蒸汽(-70℃时的蒸发压力为:1.7348MPa)作为发动机的工质,从而对外做功。

空气蒸发器示意图如下图一所示:

热力学第一定律是能量守恒原理吗(物质中热力学能量的存在条件)(1)

图一:空气蒸发器图片

我们再说自然水,在地球表面的液体自然水,只要其温度高于5℃,同样也可以用其所蕴含的热力学能量去蒸发低温物质,如蒸发温度低于-15℃的制冷剂R116(六氟乙烷),再用R116蒸汽(-15℃时的蒸发压力为:1.2154MPa)作为发动机的工质,从而对外做功。

水蒸发器示意图如下图二所示:

热力学第一定律是能量守恒原理吗(物质中热力学能量的存在条件)(2)

图二:水蒸发器图片

无论是利用空气蒸发制冷剂还是用自然水蒸发制冷剂,这种技术已经在空调系统中用了至少50年,所以已经是一项成熟的技术,毋庸置疑。

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