分子位能與電勢能——熱電轉換

朱旭

（天龍清潔能源研究所 四川 成都 610225）

全球氣候變暖、能源資源耗危、生態環境污染，關系著每一個人，每一個國家，它具有廣博性、無限性和緊迫性。它是懸在人類頭上的 “達摩克利斯劍”。 要綜合解決這三個相關的難題,首先就必須跨越當今世界科技還無法垮越的,1）太陽能能流密度很小，每平米小于1kW；2）受天氣變化因數影響很大的兩大“雷池”,實現全天候、大容量、大規模利用太陽熱能進行“熱電直接轉換”,沖破化石能一統天下的“能源舊格局”,創建以太陽熱能為核心的“分子能新時代”.人類才可能利用強大的“太陽能神劍”去戰勝“達摩克利斯劍”，從根本上實現天人合一、可持續發展、清潔發展（CDM）。

1 分子位能

分子位置勢能簡稱分子位能,分子位能+分子動能=分子內能。分子具有能量,且又分為宏觀和微觀兩個基本概念：

微觀分子動能定義為：熱運動分子具有的微觀無序運動能量。溫度是分子動能的標尺，溫度越高，分子做熱運動的平均動能越大。熱運動與布朗運動不一樣，布朗運動是一種特殊的機械運動，做布朗運動的顆粒正好處于宏觀與微觀的分界點上，所以布朗運動中機械能同時具有一般意義上的宏觀機械能與微觀分子動能的雙重特性。

微觀分子位能定義為：分子間相對位置決定的勢能。分子力做正功時分子位能減小；分子力做負功時分子位能增大（所有勢能都有同樣結論：重力做正功重力勢能減小、電場力做正功電勢能減小），當r=r0即分子處于平衡位置時分子位能最小。不論r從r0增大還是減小，分子位能都將增大。分子位能與物體的體積有關。體積變化，分子位能也變化。

宏觀分子動能從風談起,最熟知的自然現象莫過于風、雨、雷電。大氣這個工作物質簡稱“工質”，風——大氣受太陽不均的加熱，熱空氣上升，冷空氣來補充，使大氣分子群體有序定向流動而成風，風的動能推動風車做功。當逐漸接近對“熱功轉換”本質的認識,就應該引入一個表述“熱功轉換”本質的新概念——“工質風”。當無序性微觀熱運動分子個體,成為有序性宏觀群體分子定向流動具有“動能”的工質流,就是工質風，如：火電廠的鍋爐、核反應堆，把工質水加熱成超超臨界溫度和壓力的強勁水蒸汽，在汽輪機噴咀中,超超臨界的水蒸汽變成工質風，工質風的動能吹動汽輪機葉片使轉子高速轉動，實現熱功轉換；又如：汽油或柴油在內燃機中爆炸形成高溫高壓的爆炸工質風，推動活塞從上止點向下止點運動而做功；再如，火箭尾部燃科燃燒產生強勁工質風噴出，工質風的反作用力推動火箭把航天器送上太空遨游。由此得出：工質風具有工質宏觀群體分子動能，“宏觀分子動能熱功轉換”的結論。

一個多世紀以來,對宏觀分子動能熱功轉換AW的理論研究和實踐已登峰造極，如火力發電專家們最推崇的“超超臨界”技術，我國100萬kW級超大機組,熱效率可高達44%，每度電煤耗降到300克標準煤，再要向熱功轉換AW要效益的空間不大了。

宏觀分子位能從水說起.在p＝1ata的標準氣壓下，熱Q加熱系統內工質水，使水溫上升（t↑），分子熱運動速度上升，分子斥力上升 （f↑）。當工質水溫達到 100℃（準確 t＝99.087℃），分子熱運動產生的斥力（f）增大到與水分子間客觀存在旳引力（F）相等，f＝F。熱Q再不斷加熱系統內100℃的飽和水，飽和水吸收潛熱,這時f＞F，水分子就有足夠能量克服水分子間的引力而沸騰，變相成為100℃的干飽和水蒸汽。這是一個等溫、等壓的吸熱熱力過程。測量得出：P＝1ata,t＝100℃水的比潛熱r＝539.6大卡/公斤，它是干飽和水蒸汽的“宏觀分子位能”，因為它產生于等溫、等壓的熱力過程，所以潛熱不可能轉換成為工質風，因此不得不痛心排出熱功轉換系統。

熱力學第一定律Q＝△u＋AW,在工質沒有做功既W＝0時，Q＝△u，物理解釋為：外界熱Q必須首先全部轉換成為系統內工質的分子內能，△u增大。正因工質分子獲得了充足內能,所以工質分子才能在宏觀層面上進行能量轉換。

用工程的觀點認識熱力學笫一定律Q＝△u＋AW。系統內工質分子所獲得的總內能就是熱Q＝循環冷卻水帶走汽輪機凝汽器中不會做功的宏觀分子位能（潛熱）＋在汽輪機噴咀中轉換成為宏觀分子動能即工質風,吹動汽輪機葉片轉子高速轉動做機械功AW,所以,熱力學笫一定律的本質是“宏觀分子動能熱功轉換”。

2 電勢能

庫倫的實驗指出：點電荷Q的電場作用于在A點的點電荷上的力和兩個電荷的電量成正比，和它們之間的距離r的平方成反比，還與二電荷所在處周圍的媒介質有關，因此，庫倫定律的數學表達式為：F0＝Qq/4πεr2，點電荷的電場強度為：E＝q/4лεr2↓。假如電場不是一個，而是由幾個點電荷產生的，那么，由實驗證明，重疊原理（幾何和）可以運用：E＝E1＋E2……F0＝EQ（牛頓），E……電場強變（伏特/公尺），Q……電荷（庫倫）ε……介電系數（庫倫/伏特·公尺）。

3 熱電轉換

宏觀分子位能實現熱電直接轉換需要什么必要條件和充分條件？現通過對比測試圖來闡述轉換的具體過程。取用P＝1ata,t＝100℃干飽和水蒸氣（X＝1）為測試工質，并以等量測試工質分別流入完全相同的甲、乙兩組實驗玻璃瓶內。其中甲組設有電化室，而乙組沒設電化室。電化室是熱電轉換極端重要的必要條件，構建電化室的新理念,是工程技術上的重大全新課題，在《全天候太陽熱能發電廠原則性指導設計意見書》中專題闡述，這里從略。甲、乙兩組實驗玻璃瓶內，均裝有完全相同的冷卻設施，對甲組經過電化，帶有同種電荷的干飽和水蒸汽和乙組沒有經過電化，不帶電荷的干飽和水蒸氣，進行強制快速冷卻，兩組均要冷卻成為液態飽和水(X＝0)為止。甲、乙兩組實驗玻璃瓶對比測試數據，會不會一樣？有什么規律可以遵循？其中又有何種奧秘存在？要回答以上幾個原則性的重大問題。首先必須對熱、電兩學科的基礎理論進行深入的交叉研究，才能把我們觀察到的現象，在經典理論基礎上，作出有理論根據的回答，只有理論才能邦助我們觀察到更深刻的的東西……只有理論。

在微觀世界中，水分子在正常情況下受兩個力作用：一是分子間固有的分子作用力即范德華力，它與分子間距6次方成反比。范德華力由：誘導力、色散力和取向力組成,分子作用力用F來表示；二是分子熱運動產生的力，用f來表示，這兩個力是汽、液變相，潛熱吸收與釋放的關鍵。

“電化”使干飽和水蒸汽分子盡可能多的成為負離子或正離子。在微觀世界中，帶同種電荷的水蒸汽離子就不僅僅只有分子力F和熱運動力f兩個作用力了。因為引入了電的機制，人為在熱分子中添加了第三作用力——電場（庫倫）斥力，用F0表示，大小由庫倫定律決定：F0＝Qq/4Лεr2。在甲組實驗玻璃瓶中，帶電干飽和水蒸汽被強制快速冷卻時，熱運動減慢而斥力減小（f↓），分子間引力F就“壓縮”電場斥力F0：F＞F0＋f↓，對電場做功,因帶同種電荷的水汽離子間距減少（r↓），按庫倫定律，電場強度（E＝q/4πεr2↓；E＝E1＋E2＋……）因離子間距減少（r↓）而平方快速上升，宏觀分子位能（潛熱）平方快速直接轉換成為電勢能,這就實觀了 “宏觀分子位能熱電轉換”。熱電轉換所產生的電場強度大小,與工質分子間的引力大小有因果關系,水是極性分子氫鍵分子，分子間的力很大 ，所以雷電勢可高達108伏。

由于帶電水蒸汽存在電場斥力F0，因此帶電水蒸汽的凝結溫度要低于飽和溫度。因帶電水存在電場斥力F0，所以帶電水的冰點溫度要低于0℃。帶電越多，電場斥力F0就越大，比容越大而密度越小，飽和點和冰點的溫度就越低，所以遠低于0℃的云中，仍可以觀測到可觀的液水含量。

熱、電轉換的能量平衡關系,用這樣一個數學式來加以描述。

r——宏觀分子位能即潛熱 (卡)；0.24——熱電當量；We2——帶電水所擁有的電能焦爾，由于帶電汽態工質的電能We’2很小，就近似認為：We=We2≈We2-We’2；△V——系統內工質因電化和熱流等實際情況，不能再轉換成為電能的“小部份”熱能,要排出熱電轉換系統。

熱功轉換Q=△u＋AW與熱電轉換r=0.24 We+△V在本質上的不同之處：1）在汽態工質被電化的特定條件下，可實現“宏觀分子位能熱電直接轉換”；2）從理論上講，“宏觀分子位能”可以全部轉換為電能，但因電化和熱流等實際情況，總有一小部份熱量△V要排出系統；3）熱功轉換必須要高溫熱源Q，因為高溫高壓才能產生強勁的工質風，熱效率才高，這是火力發電專家著力研究超超臨界的原因；4）熱電轉換可以是常溫熱源，A.因為在常溫條件下很客易獲得宏觀分子位能潛熱r；B.排出系統的△V很小，制造一個比常溫更低的冷源來實現排放，小投入大產出。常溫熱源主要指：能流密度很小的太陽熱能、地熱能、工業企業排放的，有利用價值的余熱能,如原子能發電廠、火力發電廠不得不痛心排出的大量佘熱蒸汽等。

熱電轉換的條件：1）汽態工質必須電化成為帶電離子,“汽體電離度”越大，熱電轉換效率越高，發電廠經濟效益也越高；2）系統外必須要有冷源，“過冷度”越大，冷卻越充分，熱電轉換速度就越快。

小結:1）宏觀分子位能熱電轉換遵循的能量原則是r= 0.24 We+△V;2）理論基礎是庫倫定律，E=q/4лεr2↓；E=E1+ E2+…(幾何和)；3）必要條件:A.汽態工質在電化室中，耍求有高的電離度,B.有一定“過冷度”的冷源;4）熱電轉換理論，本質就是分子作用力F、分子熱運動力f、離子電場力F0，三作用力理論。

4 熱電轉換揭秘雷電生成

自富蘭克林，冒著生命危險用風箏進行了舉世聞名的引雷實驗之后，才揭開了“雷”的“電”的本質這一自然之謎。雷電生成的理論解釋很多，1753年羅蒙諾索夫·米海濃·華西利耶維奇，向彼得堡科學院呈述了題名為“論由電的力量所造成的天空現象”的學位論文，他的論點是：上升與下降氣流帶著水蒸汽的微粒運動，微粒間的擵擦就產生了 “偉大的電力”；物理學家佛侖克爾的散質散相學說,認為是“重力發電機”。Elster和Geitel（1885、1913）以感應電荷輸送過程為出發點,認為是“極化電荷”。Vonnegut（1963）提出云對流起電的理論,認為是“云的正反饋”。Wahlin（1973）和Takahashi（1973）根據實驗室的試驗證明,是按接觸電位差的起電假說。還有借助宇宙射線來解釋雷雨云中快速累積雷電荷,還有冰晶假說……這里就不一一例舉了。

以上各大雷電學說均無法解釋被現代氣象科學、物理科學認為是特別疑難的雷電現象（含球狀閃電），如：

1）如何快速累積雷電荷，又如何快速升高雷電勢？

2）閃電之后，為什么常伴有陣性降雨？

3）遠低于0℃的云中，為什么仍可以觀測到可觀的液水含量？

4）大地震，為什么常伴有大雨雷暴現象？

5）雷電奧秘中還有一種更為神秘的現象，那就是在強大的閃電之后，才出現的閃閃發光，通常還可聽到嘶嘶聲和爆裂聲的火球。它對科學家提出一個達兩個多世紀之久的難題。這種火球慢速輕盈飄移在低空中，它即可能爆炸，也可能自然消失，科學家把它稱為“球狀閃電”。對“球狀閃電”持懷疑觀點的理由是，由這些提出的模式也不能合理地推出有關球狀閃電所報導的一些性質，尤其是它有“較長壽命”的特性。現在，大多數氣象學家，還有大多數物理學家都認為“球狀閃電”的存在是十分肯定的事。近代對“球狀閃電”研究的理論有：射頻理論、等離子體的性質、核反應理論、相干輻射理論……“球狀閃電”缺乏結論性解釋。

兩個多世紀以來，雷電生成因雷電電勢高達108伏，要深入到漂浮不定，湍急氣漩的雷雨云層內部深處去探索、發現雷電生成的真實全過程，現在的科技是根本不可能實現的。正因缺乏具體的觀測事實作為依據，至今雷電生成還是科學界公認的一個千古之謎。要有所突破、有所發現，就應該重視愛因斯坦關於理論重要性的論述：“在原則上試圖單靠可觀察量來建立理論，那是完全錯誤的。實際上恰恰相反，是理論決定我們能夠觀察到的東西……只有理論，即只有關于自然規律的知識,才能使我們從感覺印象推論出基本現象。正是這個熱電轉換理論,指引我們觀察到了,世界上最完美的人工熱力循環和熱機，遠不如大自然天生的熱力循環寬廣博大,也遠不如大自然天生的熱機完美。

寬廣博大的天生熱力循環是,太陽熱能使江、河、湖、海、洋之水汽化進入大氣之中，形成龐大暖濕汽團，上升至高空，受大氣流動和大氣環流的推動，冷曖汽團相遇，相互作用形成風、雨、雷電自然境觀。這個自然界巨大的開式熱力循環，是一部以太陽熱能為原動力，以水汽作為熱傳遞原動力的大型大氣熱機。偉大的太陽熱力，推動的這個巨大而完美的天生熱機，同時產生了兩大天空現象：1）獲得巨大水勢能的大量高空雨水；2）獲得極高電勢能的雷電。獲得巨大水勢能的大量高空雨水掉在大地上，匯成千條江河，洶涌澎湃流回大海,使生命成為可能；使水力發電成為可能。這個自然界大水循環,這就是宏觀分子動能熱功轉換在自然界中的具體表現。

獲得極高電勢能的雷電現象，就是太陽熱力產生的宏觀分子位能熱電轉換在自然界中的具體表現。現在就來具體研究熱電轉換自然規律,揭秘雷電生成。大氣中始終存在帶電分子和帶電氣溶膠離子，統稱為大氣離子，使大氣具有微弱導電性，大氣帶電，是在電離源的作用下產生的。在對流層大氣中，電離源由三部份組成：1）土壤中鐳、鈾和釷等放射性元素輻射的α、β和γ射線；2）由土壤逸入大氣的氡和釷等放射性元素輻射的α、β和γ射線；3）來自宇宙空間的宇宙射線。大氣中正、負電荷的輸送，形成了大氣電流。大氣電流由大氣傳導電流和大氣對流電流兩部分組成。云霧、降水的大氣電過程一般比晴天大氣電過程強烈，特別是對流云中的大氣電過程，有時可發展成雷電。下面就用熱電轉換理論研究大氣電過程如何發展成雷電:

巨大暖濕氣團在大自然電離源的強力作用下，被電離帶有大量大氣電荷，在強烈高速上升、臺升等強對流天氣過程中，大量大氣電荷隨大氣流快速運動而快速運動，據電工學的基夲定則——左手定則，在地磁場中，運動的空中正、負電荷，要不斷被電磁力分離成為正、負電荷區，被分離的程度和正、負電荷區位置，由磁場強度、大氣電荷數量、大氣電荷運動速度和與磁場的夾角來確定。電磁力不斷分離的云中電荷，在巨大暖濕汽團中不斷快速累積成為正、負電荷區域，冷、暖汽團相互作用，暖濕汽團溫度快速下降，水汽熱分子斥力減少f↓，分子間固有的引力F大于電場斥力F0，既F＞F0＋f↓，使帶電水汽離子間距極大減小r↓，按庫倫定律，電場強度（E＝q/4πεr2↓；E＝E1＋E2＋……）平方快速上升，按三作用力理論,大量水汽潛熱就平方快速的直接轉換成為雷電勢能，因為帶電汽態向帶電液態方向快速變相。所以雷雨云滴也同時快速形成，因此雷電和云滴是同步快速形成的孿生兄妹。熱電轉換產生的雷電勢大小，與工質分子間的相五作用力有直接的因果關系,水是極性分子，因此雷電電勢高達108伏。

從雷電形成的具體過程中，不難確定雷電形成的必要條件：1）龐大暖濕汽團要有充足的水汽，在電離源強力作用下產生大量空中正、負離子；2）因強對流高速運動，暖濕汽團中的正、負離子在磁場（地磁場和雷電荷運動產生的自身磁場）中，被電磁力快速分離并快速累積成為正、負電荷區；3）遇冷潛熱按庫倫定律，平方快速直接轉換成為雷電能。只有很少數潛熱△V被釋放。

不是所有云都會產生足夠觀測得到的雷電現象。當滿足必要條件時，必要條件越充分,雷電勢就越高、雷電量就越大，反之就越小，至到云中不能觀測到雷電現象。

用熱電轉換理論來解釋被現代氣象科學、物理科學認為是特別疑難的雷電現象（含球狀閃電）是非常容易的事情。

1）如何快速累積雷電荷，又如何快速升高雷電勢？前已闡述。

2）閃電之后，為什么常伴有陣性降雨？帶電云滴，由于有電場斥力（F0），它的比容更大密度更小，容易懸浮在云團中，當雷閃放電，云滴失去電荷的同時，也失去電場斥力（F0），比容減小密度增大，云滴就更容易掉下來成為雨。

3）遠低于0℃的云中，為什么仍可以觀測到可觀的液水含量？前已闡述。

4）大地震，為什么常伴有大雨雷暴現象？大地震大地開裂。地殼內的高溫汽體，特別是水蒸汽，大量高速噴出，放射性物質氡、釷等也同時大量涌入大氣，不斷電離大量高速噴出的水蒸汽，帶電水蒸汽的離子流高速直沖云霄，在磁場中，電磁力必將把離子流的正、負電荷分開，成為正、負離子流，不斷大量的向正、負電荷云區充電快速累積雷電荷，遇冷平方快速與雨滴同步生成雷電勢，狂風暴雨、電閃雷鳴的自然現象就出現了。

5）用熱電轉換即三作用力理論來推論“球狀閃電”的生成。提出一個向縱深方向推進的問題,同樣條件下的帶電云滴，為什么體積會隨帶電荷數量的不斷增多而不斷增大?這是因帶電云滴的離子間存在電場斥力F0，其間距r要不斷隨電荷數量的增多而不斷增大之故。在通常雷電生成的情況下，帶電云滴的離子數量遠不足以生成,閃閃發光，通常還可聽到嘶嘶聲和爆裂聲的火球。因此“球狀閃電”對科學家提出一個達兩個多世紀之久的難題。在強大的雷閃放電過程之中，水汽帶電數量特別之大，在足夠的“過冷度”條件下，冷卻帶有足夠多電荷的水汽，處在分子引力與電場斥力和布朗運動斥力相平衡（F＝F0＋f↓）的暫時物理狀態之中，這似水非水的帶電圓球，我們把它稱為“汽、液、電暫態”，它將成為閃閃發光，通常還可聽到嘶嘶聲和爆裂聲的火球,“球狀閃電”生成了。引力（F）與斥力（F0＋f↓）暫時平衡(F＝F0＋f↓)的時長，就是“球狀閃電”生存的壽命，因此球狀閃電具有較長壽命的特性。由于它比容大而密度小，容易輕盈飄移在低空中；受沖擊或受熱，斥力會突然大于引力而爆炸；放電，引力大于斥力而減小比容，至到成為液態水珠。嘶嘶聲和爆炸聲，很明顯地類似于空氣放電的聲音，它證明了“球狀閃電”的放電本質。

祝您成為開創以太陽熱能為核心的分子能時代的引領者和開拓者！

［1］[比利時]普利高津.熵的意義[J].大自然探索，1998，1.

［2］[蘇]H·H曼蘇羅夫，B·C波波夫.理論電工學：第一、六章[M].1955.

［3］孫景群.大氣電學手冊[K].1995.

［4］熱工學.機械工程手冊：第6篇第一、二章[K].1978.

［5］[英]R·H·Gold.電雷：上卷[M].孫景群，等，譯.1977.

［6］何祚庥.無須熱功轉換的動力體系，僅存在光伏電池、燃料電池和溫差熱發電這三種技術體系嗎[A].中科院院士論壇，2010－05－10.