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手电筒、特斯林发电机与麦克斯韦妖

已有 5711 次阅读 2011-5-28 12:56 |个人分类:科搜研手册|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 手机, 空间, 麦克斯韦, 发电机, 手电筒

火车是一个有意思的地方,各式各样的人挤在一个狭小的空间里总会出现有意思的交锋,但火车也是一个没意思的地方,因为各式各样的人都在低头看着手机,沉迷于只属于自己的世界。今天想到火车是因为三年前曾在火车上买过一样东西,买后一天我认为这个东西有问题,随后的一天确认了这个问题并做了记录并认为不会再有像我一样的傻瓜去买这东西了,但三年过去了我似乎发现买的人越来越多了,所以我翻出了当时的记录——关于充电式手电筒的原理解析。

充电式手电筒号称可以通过握力来对电筒充电并用保存的电量发光,下面就通过几张图片来看看这货究竟是怎么回事。
下面我来解释下这货的工作原理:
首先,这货本质是一个由三个发光二极管与三节纽扣电池组成的手电筒,所谓充放电都是浮云。当你打开开关时,没错,供电的就是藏在黑色电池盒中的三节纽扣电池。而当你关闭开关进行所谓充电时,你会看到有一闪而过的亮光,这事实上是你的ATP通过机械能、电磁能转变成了光能,没错,就是那一闪而过的光,根本不存在充放电的电路设计,甚至没有电路板。而那一闪而过的光亮是通过你看上去比较复杂的那一组齿轮完成的,而原理异常简单:一个磁转子旋转切割磁感线发电而已,而这货厚重的手感来自于那个磁铁。

也许你还会不同意,毕竟用的时间挺长的,如果我的握力没有供电那怎么能用这么长时间?很简单,在当前的电力供应条件下你本来用手电的机会就不多而且就三枚发光二极管,三节纽扣电池供应起来还是绰绰有余的并且设计者为了防止电流过大还加了个小电阻。反正我是很佩服这货的设计者,他只需要高中物理水平与把握人们对未知事物的好奇心就足以让他大发一笔了,只是时过境迁依旧有人相信自己用5元或10元优惠价买到了个“高科技”产品。不客气地说,买家中相当一部分是所谓读了十几年书的高学历的人,这不怪敌人太狡猾,只怪自己不争气。下面我就多少说一下关于能量转化率的问题。

学过物化的都知道一种叫做卡诺循环的东西,这货说明了能量转化率不可能为100%,但现实中转化率能有多高呢?坦白说,热机的转化效率在实际中的表现都是很够呛的,连一半的实际效率都达不到,好一点的能在40%就已经很不错了。当然有一种接近卡诺热机的引擎叫做斯特林发动机,wiki上说可以达到80%,但我还没找到明确的出处,不过这种外燃机却十分有意思,下面是特斯林发动机的原理示意图。
这是一种依靠温差来进行能量转化的装置,相比内燃机热源在内,这种引擎则只需要外部热源就可以,看上去有点蒸汽机的意思,不过在自然界中温差要比石油存在的广泛,所以在直接利用诸如地热、太阳能热、潮汐能等方面这种引擎的适应性要更广一些。甚至可以考虑在建筑中加入这种引擎来利用太阳能为建筑物供电,例如一种双层结构,第一层利用太阳能的高频波段进行光伏发电而第二层则利用低频波段的能量进行发电,这两层材料间的温差就是最好的引擎。相比这个,当年我的专利就提到过这一可能,只是当时知识面窄还没考虑到这种分波段利用的方法只笼统地利用了黑箱来聚光,但也很高兴的看到最近光电光热联用的技术已经在广泛使用,但究竟有没有人想到过用特斯林发动机来解决光伏电池中材料发热的问题就不清楚了。设计师自然不会放过这一玩意,下图就是用咖啡热量驱动的一个特斯林发动机。另外还用一种浓差电机也很有新意,用在水处理与微流控芯片上必然有不错的效果。而说到能量转化,麦克斯韦妖就出现了。
麦克斯韦妖来自于麦克斯韦的一个思想实验,一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由小妖控制的一扇小“门”,容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击,“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格,而较慢的分子放入另一格,这样,其中的一格就会比另外一格温度高,可以利用此温差,驱动热机做功。统计上说存在一个很小的概率能让完全混合的两种物质随机的出现完全自发分离的情况,但按这个概率,大约从宇宙形成到现在都没能发生过一次。那么我们也能看到这种可能性是无法排出的,特别是存在一个麦克斯韦妖时这种几率会极大的提高。但是遗憾的是有人已经证明其不存在了,原因很简单,区别高低速分子是需要能量的,这部分能量并不比温差形成的能量低,甚至高很多。但对于一个耗散结构就很重要了,我们吸收能量来维持自己的有序性的同时提高周围环境中的熵,生命就是如此神奇的东西。而生命中有序性也很有意思,我们可以把信息看作是一种有序性的载体,通过能量为载体,这种信息得以保存与延续,而这样的有序性又会不会是发生在宇宙中一次稀松平常的随机涨落呢?混沌、湍流、不动点、测不准原理……当面对这些东西时,神马真的成了浮云。

人类一思考,上帝就发笑。
人类不思考,上帝不屑笑。




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1 王庆勇

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