分子位能与电势能——热电转换

朱旭

（天龙清洁能源研究所 四川 成都 610225）

全球气候变暖、能源资源耗危、生态环境污染，关系着每一个人，每一个国家，它具有广博性、无限性和紧迫性。它是悬在人类头上的 “达摩克利斯剑”。 要综合解决这三个相关的难题,首先就必须跨越当今世界科技还无法垮越的,1）太阳能能流密度很小，每平米小于1kW；2）受天气变化因数影响很大的两大“雷池”,实现全天候、大容量、大规模利用太阳热能进行“热电直接转换”,冲破化石能一统天下的“能源旧格局”,创建以太阳热能为核心的“分子能新时代”.人类才可能利用強大的“太阳能神剑”去战胜“达摩克利斯剑”，从根本上实现天人合一、可持续发展、清洁发展（CDM）。

1 分子位能

分子位置势能简称分子位能,分子位能+分子动能=分子内能。分子具有能量,且又分为宏观和微观两个基本概念：

微观分子动能定义为：热运动分子具有的微观无序运动能量。温度是分子动能的标尺，温度越高，分子做热运动的平均动能越大。热运动与布朗运动不一样，布朗运动是一种特殊的机械运动，做布朗运动的颗粒正好处于宏观与微观的分界点上，所以布朗运动中机械能同时具有一般意义上的宏观机械能与微观分子动能的双重特性。

微观分子位能定义为：分子间相对位置决定的势能。分子力做正功时分子位能减小；分子力做负功时分子位能增大（所有势能都有同样结论：重力做正功重力势能减小、电场力做正功电势能减小），当r=r0即分子处于平衡位置时分子位能最小。不论r从r0增大还是减小，分子位能都将增大。分子位能与物体的体积有关。体积变化，分子位能也变化。

宏观分子动能从风谈起,最熟知的自然现象莫过于风、雨、雷电。大气这个工作物质简称“工质”，风——大气受太阳不均的加热，热空气上升，冷空气来补充，使大气分子群体有序定向流动而成风，风的动能推动风车做功。当逐渐接近对“热功转换”本质的认识,就应该引入一个表述“热功转换”本质的新概念——“工质风”。当无序性微观热运动分子个体,成为有序性宏观群体分子定向流动具有“动能”的工质流,就是工质风，如：火电厂的锅炉、核反应堆，把工质水加热成超超临界温度和压力的强劲水蒸汽，在汽轮机喷咀中,超超临界的水蒸汽变成工质风，工质风的动能吹动汽轮机叶片使转子高速转动，实现热功转换；又如：汽油或柴油在内燃机中爆炸形成高温高压的爆炸工质风，推动活塞从上止点向下止点运动而做功；再如，火箭尾部燃科燃烧产生强劲工质风喷出，工质风的反作用力推动火箭把航天器送上太空遨游。由此得出：工质风具有工质宏观群体分子动能，“宏观分子动能热功转换”的结论。

一个多世纪以来,对宏观分子动能热功转换AW的理论研究和实践已登峰造极，如火力发电专家们最推崇的“超超临界”技术，我国100万kW级超大机组,热效率可高达44%，每度电煤耗降到300克标准煤，再要向热功转换AW要效益的空间不大了。

宏观分子位能从水说起.在p＝1ata的标准气压下，热Q加热系统内工质水，使水温上升（t↑），分子热运动速度上升，分子斥力上升 （f↑）。当工质水温达到 100℃（准确 t＝99.087℃），分子热运动产生的斥力（f）增大到与水分子间客观存在旳引力（F）相等，f＝F。热Q再不断加热系统内100℃的饱和水，饱和水吸收潜热,这时f＞F，水分子就有足够能量克服水分子间的引力而沸腾，变相成为100℃的干饱和水蒸汽。这是一个等温、等压的吸热热力过程。测量得出：P＝1ata,t＝100℃水的比潜热r＝539.6大卡/公斤，它是干饱和水蒸汽的“宏观分子位能”，因为它产生于等温、等压的热力过程，所以潜热不可能转换成为工质风，因此不得不痛心排出热功转换系统。

热力学第一定律Q＝△u＋AW,在工质没有做功既W＝0时，Q＝△u，物理解释为：外界热Q必须首先全部转换成为系统内工质的分子内能，△u增大。正因工质分子获得了充足内能,所以工质分子才能在宏观层面上进行能量转换。

用工程的观点认识热力学笫一定律Q＝△u＋AW。系统内工质分子所获得的总内能就是热Q＝循环冷却水带走汽轮机凝汽器中不会做功的宏观分子位能（潜热）＋在汽轮机喷咀中转换成为宏观分子动能即工质风,吹动汽轮机叶片转子高速转动做机械功AW,所以,热力学笫一定律的本质是“宏观分子动能热功转换”。

2 电势能

库伦的实验指出：点电荷Q的电场作用于在A点的点电荷上的力和两个电荷的电量成正比，和它们之间的距离r的平方成反比，还与二电荷所在处周围的媒介质有关，因此，库伦定律的数学表达式为：F0＝Qq/4πεr2，点电荷的电场强度为：E＝q/4лεr2↓。假如电场不是一个，而是由几个点电荷产生的，那么，由实验证明，重叠原理（几何和）可以运用：E＝E1＋E2……F0＝EQ（牛顿），E……电场强变（伏特/公尺），Q……电荷（库伦）ε……介电系数（库伦/伏特·公尺）。

3 热电转换

宏观分子位能实现热电直接转换需要什么必要条件和充分条件？现通过对比测试图来阐述转换的具体过程。取用P＝1ata,t＝100℃干饱和水蒸气（X＝1）为测试工质，并以等量测试工质分别流入完全相同的甲、乙两组实验玻璃瓶内。其中甲组设有电化室，而乙组没设电化室。电化室是热电转换极端重要的必要条件，构建电化室的新理念,是工程技术上的重大全新课题，在《全天候太阳热能发电厂原则性指导设计意见书》中专题阐述，这里从略。甲、乙两组实验玻璃瓶内，均装有完全相同的冷却设施，对甲组经过电化，带有同种电荷的干饱和水蒸汽和乙组没有经过电化，不带电荷的干饱和水蒸气，进行强制快速冷却，两组均要冷却成为液态饱和水(X＝0)为止。甲、乙两组实验玻璃瓶对比测试数据，会不会一样？有什么规律可以遵循？其中又有何种奥秘存在？要回答以上几个原则性的重大问题。首先必须对热、电两学科的基础理论进行深入的交叉研究，才能把我们观察到的現象，在经典理论基础上，作出有理论根据的回答，只有理论才能邦助我们观察到更深刻的的东西……只有理论。

在微观世界中，水分子在正常情况下受两个力作用：一是分子间固有的分子作用力即范德华力，它与分子间距6次方成反比。范德华力由：诱导力、色散力和取向力组成,分子作用力用F来表示；二是分子热运动产生的力，用f来表示，这两个力是汽、液变相，潜热吸收与释放的关键。

“电化”使干饱和水蒸汽分子尽可能多的成为负离子或正离子。在微观世界中，带同种电荷的水蒸汽离子就不仅仅只有分子力F和热运动力f两个作用力了。因为引入了电的机制，人为在热分子中添加了第三作用力——电场（库伦）斥力，用F0表示，大小由库伦定律决定：F0＝Qq/4Лεr2。在甲组实验玻璃瓶中，带电干饱和水蒸汽被强制快速冷却时，热运动减慢而斥力减小（f↓），分子间引力F就“压缩”电场斥力F0：F＞F0＋f↓，对电场做功,因带同种电荷的水汽离子间距减少（r↓），按库伦定律，电场强度（E＝q/4πεr2↓；E＝E1＋E2＋……）因离子间距减少（r↓）而平方快速上升，宏观分子位能（潜热）平方快速直接转换成为电势能,这就实观了 “宏观分子位能热电转换”。热电转换所产生的电场强度大小,与工质分子间的引力大小有因果关系,水是极性分子氢键分子，分子间的力很大 ，所以雷电势可高达108伏。

由于带电水蒸汽存在电场斥力F0，因此带电水蒸汽的凝结温度要低于饱和温度。因带电水存在电场斥力F0，所以带电水的冰点温度要低于0℃。带电越多，电场斥力F0就越大，比容越大而密度越小，饱和点和冰点的温度就越低，所以远低于0℃的云中，仍可以观测到可观的液水含量。

热、电转换的能量平衡关系,用这样一个数学式来加以描述。

r——宏观分子位能即潜热 (卡)；0.24——热电当量；We2——带电水所拥有的电能焦尔，由于带电汽态工质的电能We’2很小，就近似认为：We=We2≈We2-We’2；△V——系统内工质因电化和热流等实际情况，不能再转换成为电能的“小部份”热能,要排出热电转换系统。

热功转换Q=△u＋AW与热电转换r=0.24 We+△V在本质上的不同之处：1）在汽态工质被电化的特定条件下，可实现“宏观分子位能热电直接转换”；2）从理论上讲，“宏观分子位能”可以全部转换为电能，但因电化和热流等实际情况，总有一小部份热量△V要排出系统；3）热功转换必须要高温热源Q，因为高温高压才能产生強劲的工质风，热效率才高，这是火力发电专家着力研究超超临界的原因；4）热电转换可以是常温热源，A.因为在常温条件下很客易获得宏观分子位能潜热r；B.排出系统的△V很小，制造一个比常温更低的冷源来实现排放，小投入大产出。常温热源主要指：能流密度很小的太阳热能、地热能、工业企业排放的，有利用价值的余热能,如原子能发电厂、火力发电厂不得不痛心排出的大量佘热蒸汽等。

热电转换的条件：1）汽态工质必须电化成为带电离子,“汽体电离度”越大，热电转换效率越高，发电厂经济效益也越高；2）系统外必须要有冷源，“过冷度”越大，冷却越充分，热电转换速度就越快。

小结:1）宏观分子位能热电转换遵循的能量原则是r= 0.24 We+△V;2）理论基础是库伦定律，E=q/4лεr2↓；E=E1+ E2+…(几何和)；3）必要条件:A.汽态工质在电化室中，耍求有高的电离度,B.有一定“过冷度”的冷源;4）热电转换理论，本质就是分子作用力F、分子热运动力f、离子电场力F0，三作用力理论。

4 热电转换揭秘雷电生成

自富兰克林，冒着生命危险用风筝进行了举世闻名的引雷实验之后，才揭开了“雷”的“电”的本质这一自然之谜。雷电生成的理论解释很多，1753年罗蒙诺索夫·米海浓·华西利耶维奇，向彼得堡科学院呈述了题名为“论由电的力量所造成的天空现象”的学位论文，他的论点是：上升与下降气流带着水蒸汽的微粒运动，微粒间的擵擦就产生了 “伟大的电力”；物理学家佛仑克尔的散质散相学说,认为是“重力发电机”。Elster和Geitel（1885、1913）以感应电荷输送过程为出发点,认为是“极化电荷”。Vonnegut（1963）提出云对流起电的理论,认为是“云的正反馈”。Wahlin（1973）和Takahashi（1973）根据实验室的试验证明,是按接触电位差的起电假说。还有借助宇宙射线来解释雷雨云中快速累积雷电荷,还有冰晶假说……这里就不一一例举了。

以上各大雷电学说均无法解释被现代气象科学、物理科学认为是特别疑难的雷电现象（含球状闪电），如：

1）如何快速累积雷电荷，又如何快速升高雷电势？

2）闪电之后，为什么常伴有阵性降雨？

3）远低于0℃的云中，为什么仍可以观测到可观的液水含量？

4）大地震，为什么常伴有大雨雷暴现象？

5）雷电奥秘中还有一种更为神秘的现象，那就是在强大的闪电之后，才出现的闪闪发光，通常还可听到嘶嘶声和爆裂声的火球。它对科学家提出一个达两个多世纪之久的难题。这种火球慢速轻盈飘移在低空中，它即可能爆炸，也可能自然消失，科学家把它称为“球状闪电”。对“球状闪电”持怀疑观点的理由是，由这些提出的模式也不能合理地推出有关球状闪电所报导的一些性质，尤其是它有“较长寿命”的特性。现在，大多数气象学家，还有大多数物理学家都认为“球状闪电”的存在是十分肯定的事。近代对“球状闪电”研究的理论有：射频理论、等离子体的性质、核反应理论、相干辐射理论……“球状闪电”缺乏结论性解释。

两个多世纪以来，雷电生成因雷电电势高达108伏，要深入到漂浮不定，湍急气漩的雷雨云层内部深处去探索、发现雷电生成的真实全过程，现在的科技是根本不可能实现的。正因缺乏具体的观测事实作为依据，至今雷电生成还是科学界公认的一个千古之谜。要有所突破、有所发现，就应该重视爱因斯坦关於理论重要性的论述：“在原则上试图单靠可观察量来建立理论，那是完全错误的。实际上恰恰相反，是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论，即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象。正是这个热电转換理论,指引我们观察到了,世界上最完美的人工热力循环和热机，远不如大自然天生的热力循环宽广博大,也远不如大自然天生的热机完美。

宽广博大的天生热力循环是,太阳热能使江、河、湖、海、洋之水汽化进入大气之中，形成庞大暖湿汽团，上升至高空，受大气流动和大气环流的推动，冷暧汽团相遇，相互作用形成风、雨、雷电自然境观。这个自然界巨大的开式热力循环，是一部以太阳热能为原动力，以水汽作为热传递原动力的大型大气热机。伟大的太阳热力，推动的这个巨大而完美的天生热机，同时产生了两大天空现象：1）获得巨大水势能的大量高空雨水；2）获得极高电势能的雷电。获得巨大水势能的大量高空雨水掉在大地上，汇成千条江河，汹涌澎湃流回大海,使生命成为可能；使水力发电成为可能。这个自然界大水循环,这就是宏观分子动能热功转换在自然界中的具体表现。

获得极高电势能的雷电现象，就是太阳热力产生的宏观分子位能热电转换在自然界中的具体表现。现在就来具体研究热电转换自然规律,揭秘雷电生成。大气中始终存在带电分子和带电气溶胶离子，统称为大气离子，使大气具有微弱导电性，大气带电，是在电离源的作用下产生的。在对流层大气中，电离源由三部份组成：1）土壤中镭、铀和钍等放射性元素辐射的α、β和γ射线；2）由土壤逸入大气的氡和钍等放射性元素辐射的α、β和γ射线；3）来自宇宙空间的宇宙射线。大气中正、负电荷的输送，形成了大气电流。大气电流由大气传导电流和大气对流电流两部分组成。云雾、降水的大气电过程一般比晴天大气电过程强烈，特别是对流云中的大气电过程，有时可发展成雷电。下面就用热电转换理论研究大气电过程如何发展成雷电:

巨大暖湿气团在大自然电离源的强力作用下，被电离带有大量大气电荷，在强烈高速上升、台升等强对流天气过程中，大量大气电荷随大气流快速运动而快速运动，据电工学的基夲定则——左手定则，在地磁场中，运动的空中正、负电荷，要不断被电磁力分离成为正、负电荷区，被分离的程度和正、负电荷区位置，由磁场强度、大气电荷数量、大气电荷运动速度和与磁场的夹角来确定。电磁力不断分离的云中电荷，在巨大暖湿汽团中不断快速累积成为正、负电荷区域，冷、暖汽团相互作用，暖湿汽团温度快速下降，水汽热分子斥力减少f↓，分子间固有的引力F大于电场斥力F0，既F＞F0＋f↓，使带电水汽离子间距极大减小r↓，按库伦定律，电场强度（E＝q/4πεr2↓；E＝E1＋E2＋……）平方快速上升，按三作用力理论,大量水汽潜热就平方快速的直接转换成为雷电势能，因为带电汽态向带电液态方向快速变相。所以雷雨云滴也同时快速形成，因此雷电和云滴是同步快速形成的孪生兄妹。热电转换产生的雷电势大小，与工质分子间的相五作用力有直接的因果关系,水是极性分子，因此雷电电势高达108伏。

从雷电形成的具体过程中，不难确定雷电形成的必要条件：1）庞大暖湿汽团要有充足的水汽，在电离源强力作用下产生大量空中正、负离子；2）因强对流高速运动，暖湿汽团中的正、负离子在磁场（地磁场和雷电荷运动产生的自身磁场）中，被电磁力快速分离并快速累积成为正、负电荷区；3）遇冷潜热按库伦定律，平方快速直接转换成为雷电能。只有很少数潜热△V被释放。

不是所有云都会产生足够观测得到的雷电现象。当满足必要条件时，必要条件越充分,雷电势就越高、雷电量就越大，反之就越小，至到云中不能观测到雷电现象。

用热电转换理论来解释被现代气象科学、物理科学认为是特别疑难的雷电现象（含球状闪电）是非常容易的事情。

1）如何快速累积雷电荷，又如何快速升高雷电势？前已阐述。

2）闪电之后，为什么常伴有阵性降雨？带电云滴，由于有电场斥力（F0），它的比容更大密度更小，容易悬浮在云团中，当雷闪放电，云滴失去电荷的同时，也失去电场斥力（F0），比容减小密度增大，云滴就更容易掉下来成为雨。

3）远低于0℃的云中，为什么仍可以观测到可观的液水含量？前已阐述。

4）大地震，为什么常伴有大雨雷暴现象？大地震大地开裂。地壳内的高温汽体，特别是水蒸汽，大量高速喷出，放射性物质氡、钍等也同时大量涌入大气，不断电离大量高速喷出的水蒸汽，带电水蒸汽的离子流高速直冲云霄，在磁场中，电磁力必将把离子流的正、负电荷分开，成为正、负离子流，不断大量的向正、负电荷云区充电快速累积雷电荷，遇冷平方快速与雨滴同步生成雷电势，狂风暴雨、电闪雷鸣的自然现象就出现了。

5）用热电转换即三作用力理论来推论“球状闪电”的生成。提出一个向纵深方向推进的问题,同样条件下的带电云滴，为什么体积会随带电荷数量的不断增多而不断增大?这是因带电云滴的离子间存在电场斥力F0，其间距r要不断隨电荷数量的增多而不断增大之故。在通常雷电生成的情况下，带电云滴的离子数量远不足以生成,闪闪发光，通常还可听到嘶嘶声和爆裂声的火球。因此“球状闪电”对科学家提出一个达两个多世纪之久的难题。在强大的雷闪放电过程之中，水汽带电数量特别之大，在足够的“过冷度”条件下，冷却带有足够多电荷的水汽，处在分子引力与电场斥力和布朗运动斥力相平衡（F＝F0＋f↓）的暂时物理状态之中，这似水非水的带电圆球，我们把它称为“汽、液、电暂态”，它将成为闪闪发光，通常还可听到嘶嘶声和爆裂声的火球,“球状闪电”生成了。引力（F）与斥力（F0＋f↓）暂时平衡(F＝F0＋f↓)的时长，就是“球状闪电”生存的寿命，因此球状闪电具有较长寿命的特性。由于它比容大而密度小，容易轻盈飘移在低空中；受冲击或受热，斥力会突然大于引力而爆炸；放电，引力大于斥力而减小比容，至到成为液态水珠。嘶嘶声和爆炸声，很明显地类似于空气放电的声音，它证明了“球状闪电”的放电本质。

祝您成为开创以太阳热能为核心的分子能时代的引领者和开拓者！

［1］[比利时]普利高津.熵的意义[J].大自然探索，1998，1.

［2］[苏]H·H曼苏罗夫，B·C波波夫.理论电工学：第一、六章[M].1955.

［3］孙景群.大气电学手册[K].1995.

［4］热工学.机械工程手册：第6篇第一、二章[K].1978.

［5］[英]R·H·Gold.电雷：上卷[M].孙景群，等，译.1977.

［6］何祚庥.无须热功转换的动力体系，仅存在光伏电池、燃料电池和温差热发电这三种技术体系吗[A].中科院院士论坛，2010－05－10.