]摘自科技创新导报2010年25期10页
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摘  要：我设计了一种新型理想热机，它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之中放热消耗功，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消耗功。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之中放热消耗功，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。
我们对新型理想热机的循环工作进行分析时，还首次发现了自然界存在一个新的热动力原理。
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。

2  新的热动力原理
不论是卡诺热机还是新型理想热机，它们的循环工作均存在着4个过程 [6]，即恒温膨胀过程、绝热膨胀过程、恒温压缩过程、绝热压缩过程。
在这几个过程中，我们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的4个过程中，同时利用热机内部固体物质的热胀冷缩等物理性质对外做功，这时，新型热机不仅在把热量完全转化为功输出，同时产生消除熵的效应 [7]。以下我们来证明这个原理。
图1所示的新型理想热机简称新型热机。以下分析都是在无摩擦和准静态条件下完成的。这样，我们就在不浪费有用功的理想循环工作过程中来揭示新型热机的热动力原理。
通常情况下，新型热机从某一始态{P2、V2、T2}进行绝热可逆压缩过程达到某一终态{P1、V1、T1}，然后进行绝热可逆膨胀过程。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 [5]。
但是，我们注意到在无摩擦和准静态条件下，图1所示的新型热机进行绝热压缩与绝热膨胀过程中，同时利用热机中固体物质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，结果就与通常情况不同了。关于利用固体物质的热胀冷缩来做功的方法是已有的经验。本文中心是揭示一个新的热动力原理。
（1） 见图2和图3。 设图1的新型热机从某一始态开始进行绝热准静态压缩过程，达到某一终态后，热机得功，内能增加。热机内能增加使热机内部温度升高，由于利用热机内固体物质的热胀性质对外界做功，把热机内的热量转化为功输出。这样热机内能增加△U准静态实际上要少一些，为
△U准静态= -W =(Cr气+Cr固)(T’1 - T2)            （2）
（2）式中T’1表示高温，T2表示低温，Cr气，Cr固分别表示气体和固体的定值热容，-W表示得功,J。注意：热机得功为负，做功为正。  
        图2  新型热机的绝热压缩过程始态        图3  新型热机的绝热压缩过程终态                                                                                  
                                    
如果图2到图3绝热压缩过程中，新型热机进行的仅仅是绝热可逆压缩过程，没有利用热机中固体物质的热胀性质对外界做功，其内能增加△U可逆比较以上△U准静态就将多一些，即
△    U可逆= -W =(Cr气+Cr固)(T1-T2)             （3）
我们再把上述新型热机经过绝热准静态压缩过程从始态到终态的P—V线，与它经过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  新型热机分别进行绝热准静态压缩
                              过程和绝热可逆过程的P-V线比较

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，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达到某一终态后的P—V图。由于新型热机进行的绝热准静态压缩过程中，利用了热机内部固体物质的热胀性质对外做功，把热机内的热能转化为功输出，热机内能增加的净值△U准静态小于它在绝热可逆压缩过程中（不利用热胀性质对外做功）的内能增加的净值      △U可逆，即
△U准静态＜ △U可逆
由于热机的内能是温度的函数，故新型热机在绝热准静态压缩终态时的温度T’1比它在绝热可逆压缩终态时的温度T1低，即
T’1 ＜ T1
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），新型热机分别经过上述两种绝热压缩过程同样压缩相同的体积，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后达到终态时的压强就要小于它在绝热可逆后达到终态时的压强。因此在图4中，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。 再设图1的新型热机从某一终态开始，进行绝热准静态膨胀过程回到某一始态，热机作功，内能减少。热机的内能减少使热机内温度降低。同时，由于利用热机内部固体物质的冷缩性质对外界作功，把热机内的热量转化为功输出。这样，热机内能的减少△U准静态就更多一些，即

△U准静态= W = - (Cr气+Cr固)(T1-T’2)            (4)
    
   图5  新型热机从终态进行绝热膨胀过程      图6  新型热机绝热膨胀回到始态复原
                        
如果图5到 图6的绝热膨胀过程中新型热机进行的仅仅是绝热可逆膨胀过程，没有利用热机内固体物质的冷缩性质对外界做功，其内能的减少△U可逆比上述 △U准静态就将少一些，即

U可逆= -W = - (Cr气+Cr固)(T1-T2)               (5)

再把新型热机经过绝热准静态膨胀过程从始态到终态的P—V线及其经过绝热可逆膨胀过程从始态到终态的P—V线放在P—V图上比较。
见图7的P—V图，其中分别表示热机从某一始态开始，膨胀一定体积，热机分别经过上述绝热准静态膨胀过程和绝热可逆膨胀过程达到某一终态后的P—V线。
新型热机在绝热准静态膨胀过程中，由于利用热机内部固体物质的冷缩性质对外界做功，把热机内的热能转化为功输出，它内能减少的净值△U准静态大于热机在绝热可逆膨胀过程中（不利用固体物质的冷缩性质对外做功）内能减少的净值△U可逆，即
△U 准静态 ＞ △U可逆

               图7   新型理想热机分别进行绝热准静态膨胀
                      过程和绝热可逆膨胀过程的P-V线比较

由于热机的内能是温度的函数,故新型热机在绝热准静态膨胀终态时的温度T’ 2比它在绝热可逆膨胀终态时温度T2低，即
T’2 < T2
热机经过上述两种绝热膨胀过程同样膨胀相同的体积，达到终态时，气体的密度n相同。据查理定律P＝nKT可知：在图7中，热机经过上述绝热准静态膨胀过程的P—V线c比它经过绝热可逆膨胀过程的P—V线a来得陡一些。
需要说明的是：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，不能表现热机利用固体物质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。
我们从以上在P—V图上的分析结果可见, 新型热机在绝热准静态压缩过程和绝热准静态膨胀过程中不仅利用了固体物质的物理性质（热胀冷缩）对外界做了有用功，同时消除了熵——温差增大。

3  新型热机的循环工作
以下我们来分析新型热机的循环工作过程在P—V图上的表现。
见图8的P—V图，其中以绝热可逆过程的P—V 线a作为参照。
我们设计的新型热机从某一始态A点{P2、V2、T2}开始进行绝热准静态压缩。由于同时利用了热机内固体物质的（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}后消除了熵——温差增大。为了使热机能够回复到始态A点{P2、V2、T2}上，就要先进行部分体积的高温恒温可逆膨胀达到B’点，（B’点取决于固体物质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固体物质的（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。

                       图8   新型理想热机的循环工作过程

据能量守恒可知：新型热机利用固体物质的物理性质输出了有用功，高温恒温可逆膨胀输出了有用功，故新型热机每一次循环工作过程输出的有用功为：
W有用功 = RT1ln V B’/ V B + W热性质功 ≈ 2 W热性质功       (6)
    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”[8]、中国制造的“特制真空器件’’[9],它们都利用了新型热机的热动力原理，所以它们不同于经典的卡诺热机的工作原理。卡诺定理不适用于这一类新型热机和装置。

结束语：新型热机和卡诺热机的差别在于：新型热机利用固体物质的物理性质对外界做有用功，卡诺热机利用温差对外界做有用功。两者利用的热动力原理不同。已知固体物质有热胀冷缩、热磁、热电这样几种物理性质可以使热直接完全转化为有用功，同时消除熵。
新型热机利用的热动力原理是：固体物质的物理性质可以使热直接完全转化为有用功，同时消除熵。
实际应用，“特制真空器件’’利用固体物质的热电性质在恒温中能够直接把热量转化为电流输出做功，这时，如果再把固体物质放在热机内进行机械的膨胀和压缩的循环工作过程就毫无意义了。所以：固体物质的热电转化可以省略机械的膨胀和压缩循环过程。上述固体物质的热电转化输出的电流特别微弱，难以实用。如果人工构建固体物质的热电转换能够在恒温之中获得实用电力，但是，实现输出达到大功率的程度则可能需要几百年以后。今后：根据这个新型热机的热动力原理探索物理，人类就有希望在能源问题上得到解放。



参考文献
[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)
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[5]李勇 ,熊琨.准静态过程中p-V图的应用浅析[J]. 中国科技博览，2009( 26)
[6]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)
[7]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)
[8]日本新技术情报志[R].1983（10）
[9]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
[10]W.J Moore:《Physical  Chemistry》，5thEd. 1972
[11]P.W  Atkins:《Physical Chemistry》，7thEd. 1998