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寻找实验合作者

(2010-01-15 08:45:14)

电子的电磁动力学理论应用研究

辽宁省盘锦市孙钦飞

摘要:根据电子的电磁动力学原理,提出了一个测量水的温度与压力关系的实验设想,并设计了一个利用水积蓄能量进行物体

进的装置。

关键词:电磁斥力  电加热  气化 膨胀 动能

引言:电子的电磁动力学理论认为:温度反映的是特定空间内电磁辐射的强度,在某一空间中单位时间内辐射出的电磁波的能量越多,这个空间的温度就越高;同时,物体温度的升高不是使物体组成微粒振动加快或者运动加快,而是使组成物体的分子(或原子)的电子振动的幅度增加。由于电子在更大范围内振动,将导致微粒之间电磁斥力的增加,因此,如果物体没有受到外界的压迫,那么就会发生热胀冷缩现象,如果物体在加热的过程中,由于受到外界的压迫而无法膨胀,那么这个物体内部就会积累一定的电磁排斥能,这样的能量会随着物体体积的增加而释放。下面将讨论获得这种能量的途径。

确定温度与压力关系的实验设计:我们都知道对于理想气体,有PV/T=C(常数) 这样的一个公式,如果体积不变,则压力和温度成正比。温度越高,气体内部压力就越大,也就是说气体内部蕴藏的能量越多。对于理想气体可以确定压力与温度的关系,对于高度压缩的气体压力与温度的关系也有相应的公式,这里我们主要研究液体在体积不变的情况下温度与内部压力的关系。用纯水这种最常见的物质作为我们的实验介质。基本思路是:将纯水注入能够耐高压、隔热而且热胀率小的腔体中密封,密封空间中有电阻丝,密封体上有测量温度和压力的装置;之后通电,相对应的记录温度与压力的数值,并确定二者之间的关系。实验装置如下图所示:

寻找实验合作者

加热装置

在腔体中装满水之后通电加热,假设腔体在温度和内部压力升高的情况下体积不变,并且腔体的导热很小,那么随着温度的升高,压力将逐渐上升,通过温度和压力的数值,能够做出水这种介质的温度、压力与时间关系曲线。温度和压力升高的同时,水内部的能量也相应增加,这种能量是电磁排斥能。

实验的时候,我们知道电阻丝的功率,如果这个系统隔热非常好,几乎没有热量向外界释放,这样的条件下,消耗的电能将全部转变成热能而储存在水中。假如电阻丝功率为P,在加热t这样的一个时间后,水中蕴藏的能量为:E=Pt。这时可以测得一个对应的压力与温度。但是一个完全隔热的系统是不存在的,随着水的温度和压力的升高,腔体热量的散失也会越来越大,当单位时间内散失的热能与电阻丝产生的热能相等的时候,腔体中水的温度和压力将停止增加,不再变化。所以说,密闭压力下水中蕴藏的能量不会无限增加,这个临界点时,在不改变腔体和电阻丝功率的情况下,水中蕴藏的能量最大。如果想让水中的能量继续增加,必须改变电阻丝功率或者降低腔体热量的散失来实现。系统温度、压力与时间的关系曲线如下图所示(只是一种示意,不是真正的实验曲线):

寻找实验合作者

理想状态时温度压力与时间关系曲线

寻找实验合作者

考虑热散失时温度压力与时间关系曲线

理想状态下,水的温度和压力会不会在持续加热的情况下而无限升高呢?如果腔体是完全隔热的,水的温度和压力会不会一直增加下去呢?电阻丝只要接通电源,就会一直放出热量,这些电磁辐射如果不向外界释放,而保留在腔体中,腔体中的温度就会一直升高,不会停止,但是腔体中水的压力却不会无限上升。而是在到达一个极限值之后保持稳定。从物质内部的排斥力产生的原因方面可以得出这样的结论。物质内部电磁斥力产生的原因是电子的振动,如果电子振动的振幅增加或者有更多的电子参与振动,那么分子间的斥力就会增加,但是在热源不变的情况下,产生的电磁波的能量是不变的,所以加热的各个阶段,单个电子受到的激发振动的力都是不变的,之所以加热的起始阶段水的内部压力上升,唯一的原因就是有越来越多的电子参与了振动,但是水的质量一定,那么水中含有的电子的数量也就一定,在所有的电子都参与振动的时候,水内部的压力就无法再增加了,因为没有多余的电子参与振动了。这是,温度可以继续升高,内部的能量继续增加,但是压力已经达到了极限,要想使压力再升高一定的数值,除非改变加热器,使其能够释放出能量更高的电磁波(例如能量比较高的伽马射线),电磁波的能量增加,会使电子的振动增加,同样会增加分子之间的斥力。在没有热量散失的情况下温度、压力与时间的曲线图如下(只是一个示意图,不是真正的实验曲线):

寻找实验合作者

 在水温较低,并且开放的条件下,对水温增加与做功有这样的关系:在水温 15以上时,每克水每升高1,需要吸收4.184焦耳的能量,如果知道了水的质量和升高的温度,就可以得出水内部增加的能量。这是在温度较低,并且常压下是这样,如果温度升高很多,并且在高压的情况下,这样的原理肯定不再适用,需要通过实验来确定新的规律。密闭条件下水内部增加的能量应该等于从电阻丝得到能量与散失的能量之差,即:E增=E电-E散。

知道了电阻丝的功率,单位时间内散失的热量也可以测量出来,所以求水内部能量的增加值也不是一个特别困难的事。

高温水发射装置:这是一个将高温、高压水中蕴藏的电磁排斥能转变为机械能的装置。对水进行加热,会使水中蕴含的能量逐渐增加,温度和压力达到一定值时,打开密封闸门,高温水会迅速气化,变成蒸汽向外扩散,这种喷射而出的气体将水中蕴藏的能量转变成动能,能够推动物体迅速移动。如果完全没有能量损失,水中蕴藏的内能(电磁排斥能)将完全转变为推动物体的动能,即:E内=E动。能量由两种途径产生亏损,所以不可能全部转变成所推动物体的动能,这两种途径一种是气体扩散过程中沿途热量的损失,一种是在喷射的出口处水蒸气有剩余动能。要想降低能量损失,一是要有好的隔热系统,同时要给予水蒸气在推动物体运动的过程中有充足的扩散空间,这样才能提高能量的效率。假如没有任何能量的损失,那么电阻丝释放出的能量的多少将最终全部转化为推动物体的动能,即理想情况下:Pt=1/2mv2P为电阻丝功率,t为时间,m为推动物体质量,v为推动物体的速度),如考虑能量损失,则Pt-E损=1/2mv2。

根据以上原理,设计了如下的高温水发射装置。

寻找实验合作者

高温水发射装置

结构很简单,包括腔体,加热装置,控制开关,发射管和弹丸几个部件。首先在腔体中注满水,关闭控制开关,之后将加热装置接通电源一定时间之后,打开控制开关,高温水迅速气化喷射而出,推动弹丸迅速运动,发射出去。弹丸发射的速度取决于加热的时间,热效率,弹丸的重量以及发射管的内径和长度。加热的时间越长,系统的热效率越高,介质水中蕴藏的能量越多,弹丸的重量越小,推动能量相同的情况下发射的速度越快,喷射管的内径和长度也是衡量能量的利用率的一个重要因素,如果喷射管体积过小,能量就利用的不充分,在发射出去之后气体仍旧有一定的能量被浪费掉,如果体积过大,喷射管就会产生附加的摩擦阻力,降低发射速度。管的长度应当满足这样的条件,在弹丸飞出管的位置,弹丸与喷射管之间的摩擦阻力与水蒸气对弹丸的推力相等。这样,对能量的利用率才最高。

假设电阻丝的功率为800瓦,在装满水密封后通电10秒,开启开关,弹丸的重量为0.1千克,没有能量损失,求弹丸的发射速度是多少。消耗的电能为800×10=8000(焦耳),1/2×0.1v²=8000,可以求得v=400(m/s),弹丸的发射速度能够达到400米/秒。当然现实不会这么快,因为有很多能量损失掉了。如果加热的时间更长,发射的速度将更快。

结论:通过实验确定密封水在加热时温度和压力的关系非常必要,当然水是最基本的介质,我们还可以采用其它液体做同样的实验。通过大量的实验选出最适合做能量存储的液体,用之来进行电能到动能的转化,这种转化也许效率会更高。这一实验是基于电子的电磁动力学理论而不是分子运动论,如果实验结果和作者设想的结果相同,相信将会是新理论的一个重要成果。


 

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