物理学技术革命之第二次量子技术革命

 1665年，一场可怕的瘟疫在英国伦敦流行，剑桥大学被迫停课，学生们都回家躲避。当时只有23岁的艾萨克·牛顿（Issac Newton）也在其中，回到了位于伍尔索普村的一个庄园里，在这里待了18个月。这段时期被晚年的牛顿称为"是我发明创造时期的顶峰"，正是在这段时期里，牛顿潜心自由的钻研开普勒、笛卡尔、阿基米德、伽利略等前辈科学家的主要论著，并发明了微积分，发现了牛顿运动的定律、万有引力定律以及光色散定律等一生中最伟大的几个成就。牛顿将力学体系化后，当时处于萌芽阶段的机械制造有了理论基础，快速发展起来。后来蒸汽机被发明，且不断的被改进提升效率，由蒸汽机带来的"动力革命"引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃，促使了纺织、船舶、铁路等产业飞速发展，这场"动力革命"也被称之为第一次工业革命。1873年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwel）出版了《论电和磁》，建立了完整的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，并预言了电磁波。对于麦克斯韦来说，他是站在法拉和W.汤姆逊这两位巨人的肩上。他面对众说纷纭的电磁理论，以深邃的洞察力完成了电、磁、光的统一。有了电磁理论的支撑，发电机和电动机相继问世，电器开始用于代替机器，进入人们的生活和生产中。强电能够提供绝大部分生产和生活的能源，而弱电能够提供主要的通信手段（电报、电话等），从此电力开始成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。另一方面，在1862年，法国人德罗夏提出了四冲程理论，成为内燃机发明的科学基础。19世纪70~80年代，以煤气、汽油为燃料的内燃机相继问世，此后不久，以柴油为燃料的内燃机也研制成功。内燃机的工作效率远远高于蒸汽机，大大提高了工业部门的生产力，特别是迅速推动了交通运输领域的革新。如果使用蒸汽机来发动汽车的话，恐怕需要数十平方米的空间才能容纳动力部分。而如果利用油气为原料的内燃机，动力部分可以缩小放置于仅四平米的汽车当中。这场"电气革命"也被称之为第二次工业革命。19世纪末期，经典力学与电动力学的理论框架已建立完善，并完成了机械革命和电气革命。当时的物理学家普遍很自满的认为，所有的物理系统都可以被经典力学与电动力学的基本方程描述，尽管还存在"两朵乌云"，其中一朵便是黑体辐射中的紫外发散问题。然而正是这一朵乌云，逐渐发酵导     

一类不可逆热机的热经济学优化性能

基于一类不可逆热机的一般循环模型,以每单位成本的功率输出作为热经济学目标函数,研究投资成本、燃料成本、其它费用成本和几种主要不可逆性对热机性能的影响。导出热机效率和热经济学目标函数间的基本优化关系。由此计算了最大热经济学目标函数及其对应的热机性能参数,给出了在不同传热规律下热机的基本优化关系。确定了热机的最佳工作区域和重要性能参数的界限。     

让热声引擎像内燃机一样高效

内燃机是一种高效的热机．在小轿车中,这类发动机的效率（即输出功与燃料释放的热能之比）已经达到了２５％—４０％的高水平．内燃机通常以四冲程（吸气、压缩、爆胀和排气）方式工作．它的循环需有阀门系统（包括曲轴、弹簧、推杆和突轮等）支撑．热声引擎是将热能转换成声能的热机,它的结构比内燃机简单得多．过去,热声引擎的效率较低．最近,美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的Ｂａｃｋｈａｕｓ等,对其结构作出了实质性的改进,从而使发声效率提高到了３０％．在热声引擎中,除了声振荡输出器外,没有任何运动部件,也没有滑动密封（这…     

铁电固态热机的物理机制及应用

能源是当今举世瞩目的重大问题.研制新型能源材料,探索节能新途径是物理学和材料科学研究中的重要课题.早在二十年代就有关于铁磁体作为工作物质的致冷机和热机(热引擎)的设想和实验[1,2],但将铁电体用于致冷机和热机的研究则是近十几年才发展起来的.这种热机的特点是,工作物质是在居里温度附近工作的铁电介质.热机通过温差电效应和热电效应相结合,将热能直接转变为电能,而不要任何普通热机所需的复杂中间机械系统,还可以利用低温能源(如太阳能、地热和工厂废热)来发电.这是一种新的发电方式.人们在对其物理机制和材料问题研究的同时,着重在…     

驱动蛋白及其研究进展

 生命活动与体内的输运过程密切相关。像我们在宏观层次中用到的热机一样,在生物体内也存在着许多具有马达功能的微观“机器”--分子马达(molecularmotor)。它们广泛存在于肌肉纤维和细胞组织中,是一种特殊的蛋白质大分子。     

换气式空气热机实验

换气式空气热机是在其工质状态作循环变化过程中与外界有气体交换的一种热机.本文对其工作过程给出了一种物理解释.即它的高低温热源皆不能用单一温度的热源来表示.由于热机对外做功环节是整体工质所完成的,而外界对热机做功环节是对缸内部分工质所进行的,因此在一个循环过程中工质对外界所做的功比外界对缸内部分工质所做的功多,故这种热机能够实现自持工作.     

线性与非线性传热过程的Curzon-Ahlborn热机在任意功率时的效率

热机性能的优化是热力学领域的一个重要问题,而工质与热源之间的传热过程是热机工作时产生不可逆的主要来源.本文在引入功率增益和效率增益两个重要参数的基础上,基于一个简化的Curzon-Ahlborn热机模型并利用合比分比原理,给出了线性与非线性传热过程的热机在任意功率输出时的效率表达式,结合数值计算详细讨论了热机在任意功率输出时的特性.研究表明,参数ξ作为功率增益δP的函数存在两个分支:在第一分支上(不利情形),效率呈现出单调变化特征;在第二分支上(有利情形),效率随着的δP变化是非单调的且有最大值.随着传热指数的增加,热机的工作区域减小,这源于非线性传热过程包含热辐射所致.进一步发现功率-效率关系曲线存在权衡工作点,热机在该点附近工作能够实现最有效的热功转换.研究结果有助于深入理解具有不同传热过程热机的优化执行.     

利用LNG冷(火用)的准零CO2排放循环探析

本文研究利用LNG冷(火用)来完善燃用它的热机性能,既提高了效率,又能回收用LNG燃料热机的唯一主要排放-CO2.这种系统的温度区间横跨大气温度,会有很多新的特点值得探索.作为前期研究,本文建议了两种新循环,分别基于Brayton循环与超临界Rankine循环,且分别适用于LNG超临界及亚临界汽化过程.文中对此两种循环进行了分析计算与讨论,说明建议是可行的,热机效率可达60%以上,且同时基本回收所有燃烧产生的CO2.     

内可逆卡诺循环

卡诺定理指出,工作于两个热源之间的一切热机,以可逆机效率为最大.且此效率仅与两个热源的温度有关,而与热机的工作物质无关.其值可表为 ηc=1-TL/TH(1)其中TH,TL分别为高、低温热源的温度. 卡诺定理对于热力学理论的建立、热机的改进和发展,起了重要的作用.但是由它所确定的热机效率界限,对实际热机的指导意义并不很大.原因是要达到这个效率界限时,循环过程必须是可逆的.而要实现可逆的等温传热过程,通常由于热阻的存在,过程必须无限缓慢地进行.因而这样的循环,尽管效率最高,却只能产生零功率.要使机器产生非零的功率,必须使循环在有限…     

内燃机爆发冲程演示

奥托式内燃机的四个冲程中,只有第三冲程(爆发冲程)是做功的,其他冲程都是做功的准备,所以第三冲程在内燃机工作过程中占很重要的地位。但是,以往只是教师讲:利用火花塞产生电火花,点燃燃料混合物,发生猛烈燃烧,产生高温高压推动活塞作功。学生对此有很多疑问。例如,电火花能点燃燃料混合物吗?电火花点燃燃料混合物能产生那么大力量来推动活塞作功吗?等等。从而,引起学生对内燃机整个工作过程的理解上的困难,造成学生只     

热源间定常态能量转换热机的面积特性

一、前言 自从CA效率导出以来,许多有限时间热力学结论是由活塞式热机模型得出的。这些结论,不能象经典热力学结论那样都适用于工质以定常态连续流方式工作的热机。活塞式热机模型的工质被活塞封闭于气缸中完成循环,工质吸,放热通过同一面积,诸过程完成于不同时间。而后者,构成循环的工质各过程是于不同的装置中同时完成的,当分析工质同热源间的传热不可逆性对热机循环的影响时,讨论工质吸、放热的不同传热面积很重要。本文在作者原来工作的基础上,定义了特征参数φ,ε,ι,用φ=φ(t,ε)讨论了定常态能量转换热机仅有工质与热源间传热不可逆性时,各种工况下的功率、效率、面积之间的关系,为实际热机的面积选择提供理论依据。     

梦断永动机——热力学与热机的发展

 人类一直渴望得到更多的动力, 渴望得到更多的能量。从原始社会到现代社会, 从木柴到石油天然气, 从蒸汽机到内燃机, 人类用自己的知识与智慧不断地从大自然中获取能量。但这还远远不够, 人类总是梦想得到那诱人、令人神往的机器--永动机！     

关于可调压缩比斯特林热机的物理演示实验

本文设计了一种可调节压缩比的斯特林热机装置,可实现斯特林热机的压缩比(最大体积与最小体积的比值)动态调节以及压强(p)-体积(V)曲线的实时监测.阐述了轨尺在双缸双活塞斯特林热机中实现动态调节的机理,编写了采集热机工作过程中压强和体积的Labview程序.通过调节轨尺完成压缩比的动态调节,演示了斯特林热机在不同压缩比条件下的工作状态,分析了压缩比影响斯特林热机性质的机理.该装置制作简单,可使用酒精灯作为热源,用于物理演示实验教学.     

热声热机和斯特林热机振荡现象的网络描述

热力学循环的实质是一种非等熵的循环 ,热声热机和斯特林热机振荡现象在满足热力学循环一般规律的同时 ,而各有其特殊性 ,故其各自的振荡本质是有差异的 ,用于描述两者的网络模型也必然有差异。     

斯特林循环的理想和实际效率的讨论

套用大学物理热循环效率的计算公式于理想斯特林热机时,会出现原理上的差错,这是由斯特林热机的特殊设计造成.本文首先从热机效率的基本公式出发,阐述斯特林热机的工作原理,从中看到斯特林热机独特的设计原理使其效率的计算不同于基本公式的原因;其次给出实际斯特林热机工作时热损耗的来源分析;最后结合有关论文的结论,给出工质为范德瓦耳斯气体时的效率与体积比的关联.     

含有一般性热转移过程的低耗散型热机的权衡优化研究

实际热机在工作过程中必然伴随热转移过程.本文提出了含有一般性热转移过程的低耗散热机模型.利用权衡优化方法对该低耗散热机的性能进行了优化分析,推导出了权衡判据下热机功率和效率表达式.详细讨论了不同热转移过程支配下的热机功率以及效率特征,其结果有助于深入理解实际热机的优化机制.     

关于制造光点反射式直流电流计的意见

在鼓足干劲、力爭上游、多快好省地建設社会主义这一总路綫的照耀下,各种新产品已细雨后春筍地出現,全国各地将星罗棋布地出現各种各样的工厂、企业和学校。这些工厂、企业和学校将要求国家市場供应各种各样的机器和仪器。它們究竟应該购置什么型式的机器和仪器,生产仪器、机器的单位应該首先生产什么型式的机器和仪器,这是很值得研究的問題。本文愿就实驗室用光点反射式直流电流計的制造工作,提出若干意見。与实驗室工作者及有关单位共同討論。光点反射式直流电流計在电学、磁学实驗中有各种不同的用途,     

带有Dzyaloshinski-Mariya相互作用的两比特纠缠量子Otto热机和量子Stirling热机

研究了以带有Dzyaloshinski-Mariya(DM)相互作用的两比特自旋体系为工质的量子纠缠Otto热机和量子Stirling热机.两种不同热机在各自的循环过程中,通过保持其他参量不变,只有DM相互作用发生改变,从而分析热机循环中DM相互作用与热传递、做功以及效率等热力学量之间的关系.研究结果表明:DM相互作用对两种热机的基本量子热力学量都具有重要的影响,但量子Stirling热机由于回热器的使用,其循环效率会大于量子Otto纠缠热机的效率,甚至会超过Carnot效率;得到了量子Otto纠缠热机和量子Stirling热机做正功的条件.因此,在这两个纠缠体系中,热力学第二定律都依然成立.     

一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机

研究了一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机模型. 用粒子的概率主方程来描述粒子在晶格中的动力学特性, 推导出热流、 功率和效率的表达式. 通过数值计算分析势垒高度、 外力和温比对热流以及热机功率和效率的影响. 研究表明: 在粒子稳态概率流为零时, 存在非零的热流从高温库流入低温库, 类似于经典不可逆卡诺模型中的热漏; 热漏的存在使得热机的效率远远小于卡诺效率, 功率与效率之间为闭合的关系曲线, 热机为不可逆热机; 对热机性能参数进行优化, 可以使热机工作在最优性能状态下.     

超声波燃油掺水试验──提高燃油燃烧效果的方法

一、概 述 随着我国石油工业迅猛发展,国内使用石油作燃料的单位逐渐增多,燃油消耗大量增加. 燃油具有很多优点:热值高、容易产生高温、便于运输、便于操作、便于自动控制、有利于降低劳动条件、有利于改善操作条件等. 如何把燃料油燃烧完全,达到节约燃料、消烟除尘、保产保暖、安全运行,是一项重要课题.当前很多单位从雾化质量着手,改进雾化方法,提高雾化细度,为燃烧完全做了很多工作. 最近,国内外对燃料油中掺水,制成乳化油燃烧,也引起了重视.据了解,在国外有美国、日本、法国、苏联、英国等国家进行了乳化油燃烧的研究.在国内,也有很多单…