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图说——利用渗透压构造第二类永动机的理论和实验

已有 14366 次阅读 2017-11-29 15:00 |系统分类:科研笔记| 渗透压, 热能, 第二类永动机, 水势, 半透膜

图说——利用渗透压构造第二类永动机的理论和实验

一.如图1所示汽缸活塞系统:当热源A、热源B温度不同时,物体C才可以在汽缸活塞系统的推动下运动。由大量此类经验事实出发,卡诺定律(及由其凝炼得到的热力学第二定律)认定:在找不到一个可以吸收热量、相对温度较低的“冷源”时,热能不能转化为宏观可利用能量;这样,当没有更低温度“冷源”时,即使环境中有丰富的热能,也是不能做功的“废热”。


二.当不存在更低温度“冷源”时,期望将环境中热能(本质是分子无规则运动所具有的能量)转化为宏观可做功能量,使环境中丰富的热能可以被回收再利用的系统(如图2示意系统),被称为“第二类永动机”。

如果,能够实现“第二类永动机”,意味着:人们烧水,做饭,开车,……等等方式使用能量耗散到环境中的热能,可以回收再利用;从而,人类就可以彻底摆脱能源不足的困扰;由于在能源供应充分的前提下,绝大多数物质资源都可以循环再利用,人类也可以摆脱许多物质资源不足的困扰;使物质财富像泉水一样涌流出来的美好前景,就可以具备坚实的物质基础!不过,目前,主流物理学家认定其违反“热力学第二定律”——是“不可能实现的”梦想。

三.目前,主流物理学家认定“第二类永动机是不可能实现的”——其微观根源到底是什么呢?
  这牵扯到我们对“热现象”物理本质的认识。目前,我们关于热现象的共识是:分子无规则运动是热现象的微观本质;温度,是分子平均动能的标志。日常生活中,我们常可见到如图3所示的一群小蚂蚁共同搬食现象——一片硕大的面包屑,在一群小蚂蚁的协同作用下,产生宏观可以观察到的运动;

但是,如果这些蚂蚁被施了魔法,失去协同能力,那么,这些蚂蚁相当于无规则运动的分子,目前主流物理学家断定:“如图4所示,那片面包屑则难以产生宏观可见的运动——如同在一群(同样的)无规则运动分子作用下,无法使宏观物体运动;除非如图5所示两个汽缸中,所容纳的分别是平均体能不同的两种蚂蚁(比喻两种不同温度的分子系统)时,图5中物体C才可能产生宏观可见的运动。”。以上,下划线部分对应的话语,就是卡诺定律的微观本质。



虽然,在人类难以对分子进行微观操控的时代,卡诺定律(及由其凝炼得到的热力学第二定律)是难以撼动的铁律;但是,随着人类逐步获得纳米级操控能力,卡诺定律(及由其凝炼得到的热力学第二定律),仍然是不可逾越的铁律吗?

  深入到纳米级微观层面,对渗透压现象的理解和初步实验事实证明:卡诺定律(及由其凝炼得到的热力学第二定律)这堵铁墙,是可以被纳米级孔隙穿越的!人类梦寐以求的“第二类永动机”,是利用现有与“反渗透海水淡化”工程技术相当的成熟技术,就可以在一定程度上实现的!
  其理论根据如图6所示。图中,红色点线代表“半透膜”,相当于一张“筛网”,它允许图中小点代表的“水分子”从网孔中穿过;但可以拦截、弹回图中绿色圆点代表的“溶质”微粒;那么,在图中型管两侧,纯水侧液位会稳定在低于溶液侧液位的水平上。两侧的液位差,被称为“渗透压”。其微观机理,可以理解为:半透膜相当于密布的多个足球球门,两侧分子微粒无规则运动,可以发起一次次“射门”;纯水侧水分子每次射门,射中(从而进入半透膜另一侧)的几率较高(术语称之为“水势高”);溶液侧由于混杂有不可透过半透膜的微粒(绿色圆点),使得,在溶液侧,由水分子发起的射门次数少于纯水侧,射中(从而进入半透膜另一侧)的几率较低(术语称之为“水势低”);使得,纯水侧液位会稳定在低于溶液侧液位的水平上,呈现出“渗透压”现象。水分可以从大树根系被输送到上百米的树梢顶端,据研究,主要归因于渗透压的作用。
  以往实验和理论研究得到的渗透压公式是

Π=cRT

式中,Π—渗透压

    c—不可透过性微粒的摩尔浓度

    R—理想气体常数

    T—半透膜附近液体的绝对温度

实验证明:渗透压Π的大小,仅仅和不可透过性微粒的摩尔浓度有关、和不可透过性微粒的具体物理性质无关。因此称,渗透压具有“依数性”。

根据渗透压的依数性,如图7所示,对于阴阳离子数不平衡溶液(图中,红色圆点代表阳离子,以绿色圆点代表阴离子),

在图中两条短划线代表的阴阳两个静电电极形成的静电场作用下,会分别相对富集于两个红色点线代表的“半透膜”附近,达到抵消外加电场的静电平衡状态;从而,两个半透膜附近,溶液和纯水之间,有不均衡的“水势差”;导致,图中U型管中,两侧纯水,可以具有稳定的水位差;进而,当构造一条水道,允许一侧纯水可以流向另一侧时,如图8所示,图中滴水,理论上可以永久持续进行(能量根源于分子无规则热运动所具有的能量,滴水可以持续冲击叶轮发电),构成“第二类永动机”。

作者根据上述理论判断,所进行的多次实验证明,图7所示现象是真实存在的;进一步的实验证明:图8所示现象也是真实存在的;但是,在作者简陋的实验系统中,水滴滴落速率会逐渐降低(从第一天开始的大约4分钟一滴,到第三天的大约10分钟一滴;在滴落周期超过30分钟的情况下,给溶液部分加热,可以使滴落周期缩短到大约30秒一滴。);拆解滴落实验系统发现:滴落速率的趋缓,和两个半透膜之一明显脏堵有关。滴落实验系统照片如下:


UPDATE:

  为借助“利益驱动”,加快该项目实施、造福社会,作者已经就该项目申请发明专利。欢迎洽商该项目投资合作。


图说第二类永动机.pdf





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IP: 99.230.97.*   回复 | 赞 +1 [18]迟延崑   2018-1-18 12:02
【     博主回复(2018-1-18 07:42):请参考《高压静电场对海水中盐离子分布的影响》(http://www.doc88.com/p-9075925920465.html)。作者对该问题做过专门研究。 】
————————————————————————————
不好意思,那篇文章里的图也是错的。动动脑筋吧,朋友。在有自由电荷的地方不可能有电场。现在不知道怎么搞的,几乎没有一本教科书没有错误。大概是出的书太多了,审稿太马虎。也不只是中国如此。...现在网上文章的错误我都懒的指出了。你这一篇因为有些新意,所以。
回复  感谢参与研讨。
我赞同您“在有自由电荷的地方不可能有电场”这一判断。需要提请您注意的是:在有外加静电场存在的前提下,上述判断,就意味着:溶液内自由电荷需要不均衡分布、抵消外加电场。对吗?
2018-1-18 13:471 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
回复  姜还是老的辣!迟老的判断应该是对的。接受您关于所说仅仅靠近阳极侧的半透膜附近有一层阴离子;靠近阴极侧的半透膜附近有一层阳离子的判断。照此理解,的确应该如您在17楼的建议,重新画一个示意图。
2018-1-19 22:122 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 99.230.97.*   回复 | 赞 +1 [17]迟延崑   2018-1-18 01:02
续[16]
建议把图改一下:红色和蓝色的只存在于电极附近,电中性的有溶液的部分用力一颜色表示。
IP: 99.230.97.*   回复 | 赞 +1 [16]迟延崑   2018-1-18 00:58
【     博主回复(2018-1-17 07:18):感谢参与研讨。请参考对12楼类似问题的回复。 】
那里没有谈及我说的问题。我强调的是,除了电极附近到处是电中性的,不存在两个电荷区域。这是基本的无理要求。
回复  请参考《高压静电场对海水中盐离子分布的影响》(http://www.doc88.com/p-9075925920465.html)。作者对该问题做过专门研究。
2018-1-18 07:421 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 99.230.97.*   回复 | 赞 +1 [15]迟延崑   2018-1-17 06:48
关于两个区域的是否是阴阳离子浓度不一样,恐怕值得商榷。我的看法时,只有在电极附近有一定数量离子不平衡。在样机附近有被吸附的阴离子,在阴极附近有同等电荷的阳离子。在其他的所谓有电场的(红河蓝颜色)区域,实际上电场为零。因为这个溶液是导电的,再到体内不可能建立起电场。因为有电场就会有电流!甚至在有电流的时候,都不可能详图中所画的正负离子泾渭分明,而且除了电极附近,大部分地区宏观上是中性的,正负电荷的浓度相同,当然实际上有一定程度的极化。
回复  感谢参与研讨。请参考对12楼类似问题的回复。
2018-1-17 07:181 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 99.230.97.*   回复 | 赞 +1 [14]迟延崑   2018-1-17 06:28
有趣!
值得进一步研究。不过我倒还是相信热力学第二定律在无奇点的封闭系统中是成立的。
我初步想需要进一步查清问题有两个:
一、是否有微小的输入能量,比如是否有漏电?这可以通过那个加大实验规模来检验;
二、这个能量的来源是什么?如果汉斯热运动动能,那么静电场取件的温度是否会下降?拿两个结构相同的实验,一个滴水,另一个不滴水策词给你他们之是否有温度差异。同样也可以用这个对比实验来研究电场的漏电是否相同。
回复  您的构想很好。可惜我个人无力做您建议的对比实验;衷心期盼有研究者改进实验方案,进行更严格的实验。
2018-1-19 07:451 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 36.102.236.*   回复 | 赞 +1 [13]董校   2018-1-8 12:50
三个核心概念:什么是摩尔浓度(n/V),什么是摩尔浓度的分布(dn/dV),什么是不可透过微粒(阴阳离子中性粒子都算)。
IP: 36.102.236.*   回复 | 赞 +1 [12]董校   2018-1-8 12:31
最后回你一次,好自为之。1. 浓度不只和物质的量有关,还和溶液的体积或者量有关。这是小学生就知道的事情。2.初中确实知道硫酸钠平衡的时候阴极阳极物质的量不同,但是可没告诉你浓度不同,因为还是涉及到局域的分布体积问题。3.阴阳离子的浓度和非渗透溶质的浓度是两回事。阴离子多的地方阳离子少,阳离子多的地方阴离子就少,这样非渗透的浓度实际上是平衡的。只是不是电中性的而已。
回复  这组问题提得较好。赞一下。答复如下:
1.我实验的硫酸钠溶液浓度很低,就算是存在电中性不可透过微粒,也是由于实验条件所限,混入的杂质,其空间分布对摩尔浓度的影响可以忽略不计;
2.每个钠阳离子带一个单位正电荷;每个硫酸根阴离子带两个单位负电荷。阳离子数量是阴离子数量的两倍,在外加静电场条件下,阳离子往相对趋向阴极,阴离子相对趋向阳极;这样,两个半透膜附近,不可透过性微粒(主要就是钠阳离子,或硫酸根阴离子)的摩尔浓度必定是不同的。
极端而言,假定我的溶液是不含任何杂质的纯净硫酸钠溶液,且浓度低到仅有一个硫酸根阴离子,两个钠阳离子;那么,根本没有所谓中性不可透过性粒子;在靠近阴极侧发现钠离子的机会多,在靠近阳极侧发现硫酸根离子的机会多。对吗?
2018-1-8 15:341 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
回复  准确些说,在前述极端情况下:在阴极附近发现钠阳离子的机会,要大于在阳极附近发现硫酸根阴离子的机会。对吗?
2018-1-8 15:452 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 115.171.199.*   回复 | 赞 +1 [11]董校   2018-1-7 23:16
如果我找的没错的话(http://www.doc88.com/p-9075925920465.html),我不觉得这篇文章和你的结论有什么关系。这篇文章考虑的是NaCl,阴阳离子数是1:1的。也不存在任何正负极之间的摩尔浓度差。
回复  读过论文,那么:一个极板附近阴离子的摩尔浓度相对较高;另一个极板附近阳离子的摩尔浓度相对较高。这个您总看到了吧?
重温一下随便哪大学本科的普通物理教材,总知道阴阳离子的不均衡分布恰好和外加静电场可以恰好抵消、达到静电平衡状态吧?
当溶液是阴阳离子数不平衡的硫酸钠时,静电平衡态对应着阴阳离子的摩尔浓度不平衡,这个初中生也能算明白吧?
始终欢迎大家参与研讨,但希望认真想好之后再跟帖——以免有失身份应有水准。
2018-1-8 08:521 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 115.171.199.*   回复 | 赞 +1 [10]董校   2018-1-7 23:02
换句话说,如果浓度不等,不仅会在半透明两边,溶液内部也会出现渗透压。而这种渗透压在没有半透膜约束的情况下会导致高浓度的体积扩大,浓度降低,低浓度体积减小,浓度升高,最终两侧压力平衡。
IP: 115.171.199.*   回复 | 赞 +1 [9]董校   2018-1-7 22:48
是你没明白我的意思。刚开始通电的时候,阴阳离子的浓度确实会不均衡,对应于有微弱离子电流通过,或者相当于电容器的充电过程。但是随着时间的进行,最终阴阳离子浓度不均衡导致的渗透压以及电荷的相互作用会最终导致离子浓度的均衡化。这恰恰是热力学第二定律的体现。
IP: 115.171.217.*   回复 | 赞 +1 [8]董校   2018-1-5 23:16
王黎明说的第一条说的是对的。你相当于是默认了阴阳离子的区域体积是一样的。换句话说,按照你的假设,阴阳离子区域体积相等,那么会在其交接区域形成渗透压,从而使Na区减小浓度升高,硫区体积增大浓度降低。最终的结果是钠硫区的浓度和压力平衡。也就是不再有水滴落下。
回复  感谢您的关注。
烦请认真阅读我答复王黎明教授质疑那段话中推荐的论文,并切实读懂我博文观点。例如,“你相当于是默认了阴阳离子的区域体积是一样的”——这根本不可能是我的观点。我的观点是:在外加静电场作用下,阴阳离子相对分离,两个半透膜附近,离子之摩尔浓度是不均衡的。
两个半透膜附近,离子之摩尔浓度是不均衡的。
两个半透膜附近,离子之摩尔浓度是不均衡的。
重要的话说三遍。您可能是笔误,出现“阴阳离子的区域体积”一说,我实在不懂您想表达的意思是什么?姑且理解为“摩尔浓度”回复您的跟帖。
2018-1-6 10:581 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 116.57.125.*   回复 | 赞 +1 [7]王黎明   2018-1-4 16:16
看不出哪里能逾越卡诺定理。这里采用"渗透压"的方式在概念和实践上存在这些问题:
1. "阴阳离子数不平衡溶液"这个概念不正确。在溶液中不可能存在正负离子的宏观分离,不存在"阴阳离子数不平衡"这种概念,只有浓度的差异(阴阳离子同时按比例变化)。
2. 仅在电极表面才会出现电荷分离,形成所谓的双电层,产生电位差。如果两个电极用导线相连,电极材料不同时可能构成一个电池;电极材料相同时,两个电极上的电位相互抵消,什么都不会发生。
3. 如果两个电极之间维持一个电压,那么必定在溶液中有离子迁移,产生电流。虽然电流可能极小,但在几十秒或几分钟内滴下一滴水还是可以的。
第二定律在这个尺度上应该是不可能被推翻的。这里这个设计甚至让能量无中生有,连第一定律都给推翻了,不可能。
回复  感谢参与研讨。
请注意:
1.说的两个电极,是表面做过绝缘处理,良好绝缘的两个“静电电极”,不宜理解为您在电化学实验中常见的电极。
2.电渗析海水淡化系统作为实际应用的技术证明,您所说的在溶液中,阴阳离子不可分离是不符合实际的;我之所以没有设计和使用电渗析薄膜,只是因为属于多余的附加物,没有必要;如果您缺少电渗析薄膜这个附加物就接受不了,也不妨在其中附加电渗析薄膜。
3.加热溶液部分后,滴速明显加快,表明能源并不是无中生有的;
2018-1-4 23:281 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
回复  昨晚看到您的评论,用手机回复,操作不便,未能尽述;现补充介绍一下:关于您的第一点质疑,请网络搜索就此做过专门研究者的论文,题目是《高压静电场对海水中盐离子分布的影响》;所以,我并不需要在其中添加仅仅允许水分子和阴离子通过,或仅仅允许水分子和阳离子通过的那种电渗析海水淡化用薄膜。
2018-1-5 07:572 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 202.113.11.*   回复 | 赞 +1 [6]杨正瓴   2018-1-1 15:46
祝您 2018 新年快乐!
  
2018元旦献词:科技教育评价,瞎评不如不评
http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1092529.html
回复  谢谢,谢谢。也祝杨老师新年快乐!
2018-1-1 17:181 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 125.39.46.*   回复 | 赞 +1 [5]李维纲   2017-12-13 20:55
只有鲁莽的物理学家,才敢于尝试打破热力学定律。不过,事实证明,或许真有改变这些定律的办法。在英国牛津大学的一间实验室里,量子物理学家正试图利用一小块人造钻石做到这一点。参见链接:http://mp.weixin.qq.com/s/XMDz7VzoZrdOrQxg6YCI1A
____________
我们必须等到英国人证明了之后,才可以再来证明热力学第二定律存在漏洞吗?NO!
IP: 111.26.33.*   回复 | 赞 +1 [4]董校   2017-12-8 17:07
晕,你用电极分割阴阳离子是要消耗能量的。你测量空气中的电阻可能很大。但是初中化学就讲了盐溶液(电解液)是导体。
回复  谢谢关注。请注意:电极表面用三防绝缘漆浸凃过。所以,只有静电场,没有电流。我说的绝缘电阻测量值,是系统搭建好,工作前、工作后测得的绝缘电阻值。
2017-12-8 19:001 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
回复  换言之,我说的绝缘电阻,是两个电极浸没在“工质液体”中测得的、两极间电阻。
理论上,通电、建立静电场过程中的确会有电流(也就是给电容器充电的一次性电流)。静电场建立后,溶液中阴阳离子的不平衡分布,和外电场达到静电平衡状态,不再有电流。对吗?
2017-12-8 19:522 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 202.127.23.*   回复 | 赞 +1 [3]鲍海飞   2017-12-8 14:15
如何利用自然是我们的追求!
回复  对。是我们共同的追求。感谢理解、支持。
2017-12-8 14:241 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 192.168.0.*   回复 | 赞 +1 [2]魏焱明   2017-12-5 12:31
天才的创意!
两极板的间距,或者说溶液内的电场强度E,你的实验如何配置的?
回复  谢谢魏兄肯定。
图7水位差实验,两极电压曾采用过32V;可以观察到30多厘米的水位差。
图8滴落实验,两极实验采用电压大约为500V。
两种实验,都是利用现成材料做的。两极间距离大约为5厘米(一个“对丝”的长度)。
两个电极表面用三防绝缘漆浸凃,良好绝缘。
对丝中间硫酸钠溶液的浓度,用TDS测试笔测试,大约300ppm;纯水采用的是市售娃哈哈纯净水,TDS测试值,大约为2ppm.
半透膜、导流网、细网滤片,都是从成品RO反渗透滤芯拆解、裁剪得到的。
2017-12-5 14:171 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
IP: 223.104.3.*   回复 | 赞 +1 [1]董校   2017-12-4 18:56
阴阳两个电极?
回复  对。一个静电阴极;一个静电阳极。表面绝缘,用电子兆欧表500V档测量,电阻大于1999兆欧(超出量程)。
2017-12-4 18:591 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复
回复  也就是接在直流稳压电源两端,被充电的平行板电容器的两个彼此绝缘的两个极板。
2017-12-4 19:522 楼(回复楼主) 赞 +1 | 回复

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