利用渗透压构造第二类永动机的实验进展、理论判断和谜题

李维纲

考虑一个U型管，被两个半透膜分隔为对称的三段，中段充满硫酸钠稀溶液（或柠檬酸稀溶液），两侧灌注初始水位平齐的纯净水，那么，当存在静电场，使两个半透膜附近不可透过性微粒之摩尔浓度不同时，那么，根据渗透压公式：∏=cRT

式中，∏表示渗透压，c表示不可透过性微粒的摩尔浓度，R表示理想气体常数，T表示绝对温度；理论上，两个半透膜附近，对应有不同的渗透压，从而，对应不可透过性微粒之摩尔浓度高、渗透压大的半透膜处，必然有纯净水穿过半透膜挤入中段腔室（发生“渗透现象”）；同时，因为中间腔室容积有限，将部分水分从另一侧半透膜挤出（发生“反渗透现象”）。两侧的纯净水将不再平齐，必然出现两侧纯净水的水位差。

由于水分子穿过半透膜的基本能量来源是水分子的无规则热运动能量，渗透–反渗透平衡状态的两侧纯净水水位差依靠环境中的热能维持，所以，在两侧纯净水之间构建引流通道后，重力作用将破坏热力作用达成的、两侧纯净水水位不等的平衡态；热力作用又要重建两侧纯净水水位不相等的平衡态，就可以构成不断从环境中吸收热量转化为宏观可做功机械能的“第二类永动机”。

2017年我在科学网通过《图说——利用渗透压构造第二类永动机的理论和实验》一文，首次阐述了上述理论判断，并报告了实验现象，证明上述理论判断是基本正确的；2024年微信群友黄德民先生组织团队进行了验证实验，证明我实验报告具有真实性、可重复性之外，将原实验中利用外接电源的两个绝缘电极形成静电场，改良为直接利用一个自带静电荷的半透膜（纳滤膜NF）所构成静电场的实验，获得了较我当年实验高一个量级、高达2.8米的“纯净水”水位差，彻底杜绝了能量有可能来自两个绝缘电极间漏电电流的疑虑。此后，科学网网友樊京博士独立验证了黄德民团队的改良版实验具有真实性、可重复性。

需要说明一下：由于目前实验没有能够100%拦截柠檬酸酸根阴离子的理想半透膜，电中性反渗透半透膜（RO膜）和自带静电的半透膜（纳滤NF膜）均有溶质泄漏现象，NF膜一侧泄漏量较多；而渗透-反渗透平衡状态的NF膜一侧的水位低于RO膜一侧的水位，宏观看，实验系统是一个可以不靠环境热能以外能量就可以自发实现反渗透效果的实例。

以上实例，是关于渗透压成因的化学势说（或者叫“内能说”、“自由能说”）解释不了的，暴露出渗透压成因的化学势说是错误的假说。

淘宝上有售一种名为“径迹膜”的半透膜，其在电子显微镜下的照片显示，其孔径的一致性极好，昭示：研发可以100%拦截柠檬酸酸根阴离子之理想半透膜的前景是光明的——目前径迹膜的最小孔径比拦截柠檬酸酸根阴离子的孔径大约仅仅高一个数量级；石墨烯等二维材料的研发，也可能提供通向“理想半透膜”的其它技术路径。

“理想半透膜”，是利用渗透压构造第二类永动机理论和实验走向实用的技术制高点。无论任何企业，如果能够抢占这个技术制高点，不但可以给企业创造巨量利润，而且，可以让人类社会从环境中获得无穷无尽、循环利用的能源；而且，和核聚变能、太阳能比较，有一个显著优势是：由于能量来源于从环境中吸收转化的热能，无论利用规模如何巨大，都不会造成全球变暖。在能源可以大规模无限供应的前提下，各种物质资源也可以循环再生利用；马克思期望的、物质财富像泉水一样涌流出来的情景，就具有了坚实的基础；人类也不必再为争夺能源和物质资源陷入战争的泥潭。

为什么渗透压成因的化学势说是错误的？

考虑采用“理想半透膜”的实验系统，因为化学势的高低和不可透过性微粒的摩尔浓度有关，因此，两个半透膜附近的化学势是不同的，那么，两个半透膜附近的渗透压也是不同的，必然在一个半透膜处要发生渗透，另一个半透膜处发生反渗透，使渗透——反渗透平衡态，两侧纯净水产生水位差，产生宏观可做功能量；但是，由于系统采用了“理想半透膜”，中间腔室的化学势不可能有任何变化，那么，上述宏观可做功能量，绝不可能是由化学势改变而转化产生的；因此，化学势说的信奉者，在辩论时往往一口咬定，对于采用“理想半透膜”的实验系统，两侧纯净水不会产生水位差；这样，渗透压成因的化学势说，在两侧纯净水究竟是否会产生水位差这个问题上就必然陷入前后自相矛盾的泥潭。

排除了渗透压成因的化学势说（“内能说”）之后，实验系统产生宏观可做功能量的唯一可能来源，只能是环境中的热能；否则，就不是发现热力学第二定律是有局限性的，而是要否定热力学第一定律——能量守恒定律——了。而本文作者坚信：热力学第一定律是正确无误，不可动摇的；热力学第二定律，仅仅在利用纳米级微结构可以对分子无规则热运动进行一定程度整流的情况下，才会失效。

理论上，只要有任何方式可以对分子无规则热运动实现一定程度的整流，就必然可以构成第二类永动机；任何第二类永动机的热功转化效率都是100%.

目前，我们实验系统的输出功率虽然很小，类似于一个内阻很高的电源，这是由于实验采用的市售反渗透净水器用RO膜对水分子穿过时的阻力很大；未来，随着理想半透膜技术突破，降低系统内阻的潜力巨大。从目前实验系统的比功率（水滴滴落功率和半透膜面积的比值）看，实验系统的比功率已经达到可观水平（有兴趣的朋友，可联系作者观看黄德民改良版实验短视频）。

实验证明：系统可以串联工作，从而，可以形成很高的纯净水水位差（发电所需的落差）；系统可以并联工作，走向实用后，可以给每一栋高层建筑都增设这种利用渗透压构成的第二类永动机系统；系统可以在给封闭空间降温的同时，对外输出电能。

一个待解谜题：李维纲2017年实验装置，确实产生了水位差和水滴连续数日从一侧向另一侧滴落的实验现象；但是，两侧水位的高低，和作者自己理论预判的情况——阳极侧吸引硫酸根阴离子，阴极侧吸引钠阳离子；因此，阳极对应半透膜附近不可透过性微粒的摩尔浓度较低，对应渗透压较低，这个半透膜处应发生“反渗透现象”，这一侧纯净水水位应该升高、高于阴极侧纯净水水位——是恰好相反的。

对于黄德民的改良版实验系统，我的理论预判是——NF膜带有静电荷，排斥柠檬酸酸根阴离子靠近，NF膜附近的不可透过性微粒摩尔浓度低，因此，渗透压较低，NF膜处应该发生“反渗透现象”，NF膜一侧应该水位升高、高于RO膜侧纯净水水位——和实验现象恰好也是相反的。

虽然，有上述和自己判断相反的水位差，但是，只要静电场可以导致两侧纯净水产生水位差，并不能动摇系统可以构成第二类永动机这个基本判断，本人百思不解这个方向相反的理论根源？今日在此公布谜题，就教于智者。