论文部分内容阅读
摘 要：卡诺定理的主要原理是：汽缸中气体压力推动汽缸中的活塞做功，由汽缸的直线运动推动曲轴转动而带动飞轮的旋转，在这个过程中，汽缸的直线运动转变成转动时，由数学微积分可以计算出，其汽缸的直线运动做的功只有25%转变成飞轮的转动动能，因为，在汽缸的直线运动时，曲轴是转动的，功的传递中损失了75%。本文正从这个原理出发，设计出新的热能转换装置――曹氏热能转换装置，即将汽缸的直线运动带动“如自行车链条”一样的还是直线运动，再由链条带动飞轮的旋转，在这样新的理论计算下可以得出，汽缸的直线运动做的功在理论上会100%的转变成飞轮的转动动能。而且在此基础上还多出了两个做功：一是汽缸的直线运动做功结束时还有大量的乘余气体的压力可以再做功，即可以把汽延长，使汽缸的直线运动到缸内气体压力等于大气压时，排出缸内的气体；二是如果用的蒸汽推动汽缸的直线运动做功，当汽缸内蒸汽低于一个标准大气压时，排出缸内的气体，只需32℃-35℃的冷凝水就可把排出缸内的气体凝集成水，这样就会形成缸内负气压，达到空气中的大气反推汽缸做功。
关键词：热能；蒸汽；做功；卡诺定理；热能转换
中图分类号：140.80 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0003-03
1 原 理
1.1 卡诺定理
卡诺定理示意图，如图1所示，兰的A为气缸，B为气缸内的活塞，C为曲轴，活塞连杆BD也曲轴连接于D点，气缸内的气体推动活塞运动，带动曲轴绕O轴旋转。设活塞的半径为R，活塞的面积为S，则s=πR2，曲轴OD=r，则L=2r。
设气缸内的气压为p，则活塞所受到的推力：
F=pS=πR2p，
活塞所做的功f（w1）=FL=2p。从图中可以看出，活塞沿运动方向BH所受的力被分解成BG和BJ两个分力，只有BJ力对曲轴起有效作用，而作用在曲轴上的力又被分解成沿园周切线方向的力DF和向心方向的力DO，而只有沿园周切线方向的力DF做功有效，这个力还随着曲轴旋转角度θ不断变化而变化。所以，当活塞以均等的力推动曲轴转动时，传的功是在不断变化的。
设曲轴OD绕O轴旋转所做的功为f（w2），则由数学微积学可求出两都之间的关系为：
f（w1）=f（w2）25%
这就是卡诺定理的原理。
1.2 曹氏热能转换装置的原理
曹氏热能转换装置原理，如图2所示，把曲轴设计成两个园盘O1和O2，并用链条把两个园盘连接在一起，在两个园盘连接的一边水平方向上，把气缸的活塞推力杆BD连接在链条上，这样气缸的活塞推力所做的功，理论上全部传递到曲轴中去，达到100%传递的效率。
2 设 计
①设计示意图，如图3所示。
D为两个气缸外的红色方框，与两个转动轮O1和O2上的链条相连接，D方框把两个活塞B1和B2固定在方框内，两个活塞交替推动D方框，带动链条趋动两个转动轮和转动做功。图3中的四个活塞为一组，3组这样的活塞组成部机器，共12个气缸交替轮流做功工作。如图4中（2）由3组（1）组成的示意图。
这里L1可以任意调节，即与关闭供汽的时间长度有关，这样就非常容易做到在任意蒸汽的压力力下工作都能达到热功转换的最大化。
这种装置除了体种小，效率高以外，其最大噪音低于20分贝以下。可谓是潜艇的好动力，所有的AIP潜艇都可使用这种核动力装置进行替代，其潜水的最大天数不是7-15天，而是70天以上。
②如图4所示，图中的（1）为固定盘，盘中的A为进气口，C为进气口与园盘交界处设置一个进气阀门，D为固定在圆盘上的一个隔气栓，为固定盘中间的轴承，将转动盘装在上；图中的F（2）和（3）为转动圆盘，在F上安装有一个活动的气门塞E，（2）为F上的活动的气门塞E为关闭装态，以便可以通过固定盘中上D隔气栓，（3）为F上活动的气门塞E处于打开状态；（4）为F安装在固定盘中轴承上的转旋工作示意图，此时进气阀门C为开启状态，蒸汽进入工作通道推动气门塞E做功，当F转动一定比例的园周时，如图（4）的位置，进气阀门C关闭，由通道中蒸汽乘余压力继续做功，达到排出气体的压强低于一个大气压时排出，既利于蒸汽的凝集，又降低了凝集热的值，达到提出热功转化率的效果。（5）为转动园盘F上的气门塞E经过固定园盘上D隔气栓时处于关闭状态，以便可以通过固定盘中上D隔气栓，（6）为转动园盘F上的活塞将气体从B出口排出的过程。
这样的装置固定盘中上装上转动园盘F为一组，O可直接装在发电机上，可将六组同轴装在一起，以达到发电机上获得稳定轴纽力，持续工作的目的。
这种装置：结构简单、操作方便、全机械结构、安全使用寿命长。
3 讨 论
这种超小型、超低音、高效率新的理论指导下设计的热能转换装置--曹氏热能转换装置，只是一个过渡产品，因为更科学高效的产品是：热能电版，即如同太阳能电版把可见光，即太阳能直接转变成电能一样，把红外线即热能光子直接转变成电能的电版，这样的产品无论从原理上、设计上、生产的可能性上都己成熟。
设计一个航空运输机的核动力装置的重量与输出功率实例：还是以10个大气压的蒸汽，即10 MP的蒸汽为例，以图4中的热能转换装置，则转盘周长的1/10为进汽长度，另9/10为蒸汽乘余压力工作长度，理论上排汽压力降为1个大气压。10组转盘共2米长，每个转盘中气门塞E的宽为20 cm，设每个气门塞E高出转盘的长度为60 cm，转盘F的半径R=100 cm，那么，10转盘获得持续的线推力：
F=20×60×10+20×60×5=18 t（吨）
以每分钟450/转，则每小时10MP蒸汽量：
V=2×0.2×0.6×450×60=24 000 m3 每小时做功理论值为：
W=2πRF450=3 053 628 007.2 kgm=29 925 554 470.56 J（焦尔）=8.3 MW。
装置的体积V=6.28 m3。输出功率以70%计算则其输出功率：
f（p）=8.3×70%=5.81 MW（兆瓦）。
以1公斤铀的裂变能在一年内均匀释放的情况下，功率是
2 000千瓦。计算，所需铀的量为G=2.49 t。如果使用包覆颗粒直径小于1 mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6 cm的球形燃料元件，体积为：
V轴=0.13 m2。
水在10 MP时，温度为311.037/℃，汽化潜热1 317.21 kJ/kg，吨水蒸汽的体积等于1 000/0.8 035=1 244.6 m3，0.3MPa的饱和温度是133 ℃，水汽化后体积会增大1 800倍，也就是1吨水气化后能产生1 800立方气体，10 mp下蒸汽温度应该是320度，汽化潜热1 317 KJ/KG，1t放热也就是：1 317×1 000=1 317 000 kj/KG，每分钟用水的蒸汽量=0.22t（吨），即如果水能及时地被冷凝回收，则1 t（吨）水就足够了。
运-20运输机4台发动机重量10T，还要装原料油20T，合计动力系统总重30T。如果用以上这种输出功率为：
=8.3×70%=5.81MW（兆瓦）
装置直接带动曹氏涡桨（一种新型螺旋桨），可以飞到超音速。再带0.5MW，重量为1T重的发电机发电，则包括铀发热装置、水蒸汽发生装置、发电装置、涡桨装置在内总重不超过10T，输出功率8MW以上，无需加油，理论上可以在天上飞一年无需降落。
这是静推力，在流体流动的情况下，按流体力学计算，轴线推力要小得多。
4 结 论
这种热能转换装置--曹氏热能转换装置，噪音低，使其噪音低于20分贝以下。在10个大气的蒸汽压力下，即10 MP压力下，比汽缸做功的效率高出20倍。比同等汽压下工作汽轮机不仅体积小、噪音低，而且其工作效率要高出10%以上。所有的AIP潜艇的动力都可以使用这种超小型、超低音、高效率的核动力替代。
5 展 望
这种热能转换装置--曹氏热能转换装置，不仅在核动力上使用，还可以用于所有的核电站、火力发电厂。由于其体积小、效率高、噪音低，还可以做成核动力在大型运输机上使用。甚至于大型运输汽车上作为动力使用。
这种热能转换装置也只是热能电版出来前的一个过渡产品。热能电版：即如同太阳能电版把太阳能（可见光子）直接转变成电能一样，把红外线光子（不可见光子）直接转变成电能，笔者在3年前就己从原理、制造工艺、设计上趋于成熟的科学技术，其工作的最低临界温度如果达到-40 ℃，则在地球上有人类居住的地方都能将周围环境中的热能源源不断地转变成电能供人们使用。这种热能电版，1在工作状态下，可有1安培电流，如果放在水中，水会立即结冰。所有的车辆如果中间以一块铀发热源（棒），外面包裹10层热能电版（约30 cm厚），就可以源源不断地发电供汽车行驶，当汽车不行驶时，可将电能并入当地电网发电。也就是说，那时，地球上可能会鼓励人们用碳，而不是现在碳减排和限排，因为碳是植物的“粮食”。那时的石油可能象现在的煤一样，成为过时的产品。
（声明：本文作者保留要求任何使用本原理的组织或个人捐献低于其纯利润1%的资金给本文作者的权利。）
参考文献：
[1] 张三慧.大学物理（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999，4.
[2] 吴百诗.大学物理（上、下册）第一版[M].北京：科学出版社， 2001.6.
[3] 陈宜生.物理学（第一版）[M].天津：天津大学出版社，2005.
[4] 同济大学教研室主编.高等数学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，
1981.
[5] 曹焱.论光速的相对性和绝对静止参照系的关系——实验发现光子 动态惯性的存在[J].教育学，2013，3.
[6] 曹焱.论光的频移和时空相对性的关系[J].教育学，2013，8.
[7] 曹焱.论正负电子的结构和组成[J].教育学，2013，15.
[8] 曹焱.论中微子暨胶子的结构和组成——统一场理论概述[J].学习导 刊，2014，5.
[9] 曹焱.论电磁学中高斯电通量定理的谬误[J].学周刊，2014，12.
[10] 曹焱.粒子物理——核心学说暨质子和中子的结构和组成[J].学周 刊，2015，5.
[11] 曹焱，论物质的结构和组成暨广义统一场理论[J].中小企业管理与 科技（下旬刊），2015.8.
[12] 曹焱.狭义统一场理论-论电磁力与强力、弱力、万有引力的统一[J].
中小企业管理与科技（上旬刊），2016.2。
关键词：热能；蒸汽；做功；卡诺定理；热能转换
中图分类号：140.80 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0003-03
1 原 理
1.1 卡诺定理
卡诺定理示意图，如图1所示，兰的A为气缸，B为气缸内的活塞，C为曲轴，活塞连杆BD也曲轴连接于D点，气缸内的气体推动活塞运动，带动曲轴绕O轴旋转。设活塞的半径为R，活塞的面积为S，则s=πR2，曲轴OD=r，则L=2r。
设气缸内的气压为p，则活塞所受到的推力：
F=pS=πR2p，
活塞所做的功f（w1）=FL=2p。从图中可以看出，活塞沿运动方向BH所受的力被分解成BG和BJ两个分力，只有BJ力对曲轴起有效作用，而作用在曲轴上的力又被分解成沿园周切线方向的力DF和向心方向的力DO，而只有沿园周切线方向的力DF做功有效，这个力还随着曲轴旋转角度θ不断变化而变化。所以，当活塞以均等的力推动曲轴转动时，传的功是在不断变化的。
设曲轴OD绕O轴旋转所做的功为f（w2），则由数学微积学可求出两都之间的关系为：
f（w1）=f（w2）25%
这就是卡诺定理的原理。
1.2 曹氏热能转换装置的原理
曹氏热能转换装置原理，如图2所示，把曲轴设计成两个园盘O1和O2，并用链条把两个园盘连接在一起，在两个园盘连接的一边水平方向上，把气缸的活塞推力杆BD连接在链条上，这样气缸的活塞推力所做的功，理论上全部传递到曲轴中去，达到100%传递的效率。
2 设 计
①设计示意图，如图3所示。
D为两个气缸外的红色方框，与两个转动轮O1和O2上的链条相连接，D方框把两个活塞B1和B2固定在方框内，两个活塞交替推动D方框，带动链条趋动两个转动轮和转动做功。图3中的四个活塞为一组，3组这样的活塞组成部机器，共12个气缸交替轮流做功工作。如图4中（2）由3组（1）组成的示意图。
这里L1可以任意调节，即与关闭供汽的时间长度有关，这样就非常容易做到在任意蒸汽的压力力下工作都能达到热功转换的最大化。
这种装置除了体种小，效率高以外，其最大噪音低于20分贝以下。可谓是潜艇的好动力，所有的AIP潜艇都可使用这种核动力装置进行替代，其潜水的最大天数不是7-15天，而是70天以上。
②如图4所示，图中的（1）为固定盘，盘中的A为进气口，C为进气口与园盘交界处设置一个进气阀门，D为固定在圆盘上的一个隔气栓，为固定盘中间的轴承，将转动盘装在上；图中的F（2）和（3）为转动圆盘，在F上安装有一个活动的气门塞E，（2）为F上的活动的气门塞E为关闭装态，以便可以通过固定盘中上D隔气栓，（3）为F上活动的气门塞E处于打开状态；（4）为F安装在固定盘中轴承上的转旋工作示意图，此时进气阀门C为开启状态，蒸汽进入工作通道推动气门塞E做功，当F转动一定比例的园周时，如图（4）的位置，进气阀门C关闭，由通道中蒸汽乘余压力继续做功，达到排出气体的压强低于一个大气压时排出，既利于蒸汽的凝集，又降低了凝集热的值，达到提出热功转化率的效果。（5）为转动园盘F上的气门塞E经过固定园盘上D隔气栓时处于关闭状态，以便可以通过固定盘中上D隔气栓，（6）为转动园盘F上的活塞将气体从B出口排出的过程。
这样的装置固定盘中上装上转动园盘F为一组，O可直接装在发电机上，可将六组同轴装在一起，以达到发电机上获得稳定轴纽力，持续工作的目的。
这种装置：结构简单、操作方便、全机械结构、安全使用寿命长。
3 讨 论
这种超小型、超低音、高效率新的理论指导下设计的热能转换装置--曹氏热能转换装置，只是一个过渡产品，因为更科学高效的产品是：热能电版，即如同太阳能电版把可见光，即太阳能直接转变成电能一样，把红外线即热能光子直接转变成电能的电版，这样的产品无论从原理上、设计上、生产的可能性上都己成熟。
设计一个航空运输机的核动力装置的重量与输出功率实例：还是以10个大气压的蒸汽，即10 MP的蒸汽为例，以图4中的热能转换装置，则转盘周长的1/10为进汽长度，另9/10为蒸汽乘余压力工作长度，理论上排汽压力降为1个大气压。10组转盘共2米长，每个转盘中气门塞E的宽为20 cm，设每个气门塞E高出转盘的长度为60 cm，转盘F的半径R=100 cm，那么，10转盘获得持续的线推力：
F=20×60×10+20×60×5=18 t（吨）
以每分钟450/转，则每小时10MP蒸汽量：
V=2×0.2×0.6×450×60=24 000 m3 每小时做功理论值为：
W=2πRF450=3 053 628 007.2 kgm=29 925 554 470.56 J（焦尔）=8.3 MW。
装置的体积V=6.28 m3。输出功率以70%计算则其输出功率：
f（p）=8.3×70%=5.81 MW（兆瓦）。
以1公斤铀的裂变能在一年内均匀释放的情况下，功率是
2 000千瓦。计算，所需铀的量为G=2.49 t。如果使用包覆颗粒直径小于1 mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6 cm的球形燃料元件，体积为：
V轴=0.13 m2。
水在10 MP时，温度为311.037/℃，汽化潜热1 317.21 kJ/kg，吨水蒸汽的体积等于1 000/0.8 035=1 244.6 m3，0.3MPa的饱和温度是133 ℃，水汽化后体积会增大1 800倍，也就是1吨水气化后能产生1 800立方气体，10 mp下蒸汽温度应该是320度，汽化潜热1 317 KJ/KG，1t放热也就是：1 317×1 000=1 317 000 kj/KG，每分钟用水的蒸汽量=0.22t（吨），即如果水能及时地被冷凝回收，则1 t（吨）水就足够了。
运-20运输机4台发动机重量10T，还要装原料油20T，合计动力系统总重30T。如果用以上这种输出功率为：
=8.3×70%=5.81MW（兆瓦）
装置直接带动曹氏涡桨（一种新型螺旋桨），可以飞到超音速。再带0.5MW，重量为1T重的发电机发电，则包括铀发热装置、水蒸汽发生装置、发电装置、涡桨装置在内总重不超过10T，输出功率8MW以上，无需加油，理论上可以在天上飞一年无需降落。
这是静推力，在流体流动的情况下，按流体力学计算，轴线推力要小得多。
4 结 论
这种热能转换装置--曹氏热能转换装置，噪音低，使其噪音低于20分贝以下。在10个大气的蒸汽压力下，即10 MP压力下，比汽缸做功的效率高出20倍。比同等汽压下工作汽轮机不仅体积小、噪音低，而且其工作效率要高出10%以上。所有的AIP潜艇的动力都可以使用这种超小型、超低音、高效率的核动力替代。
5 展 望
这种热能转换装置--曹氏热能转换装置，不仅在核动力上使用，还可以用于所有的核电站、火力发电厂。由于其体积小、效率高、噪音低，还可以做成核动力在大型运输机上使用。甚至于大型运输汽车上作为动力使用。
这种热能转换装置也只是热能电版出来前的一个过渡产品。热能电版：即如同太阳能电版把太阳能（可见光子）直接转变成电能一样，把红外线光子（不可见光子）直接转变成电能，笔者在3年前就己从原理、制造工艺、设计上趋于成熟的科学技术，其工作的最低临界温度如果达到-40 ℃，则在地球上有人类居住的地方都能将周围环境中的热能源源不断地转变成电能供人们使用。这种热能电版，1在工作状态下，可有1安培电流，如果放在水中，水会立即结冰。所有的车辆如果中间以一块铀发热源（棒），外面包裹10层热能电版（约30 cm厚），就可以源源不断地发电供汽车行驶，当汽车不行驶时，可将电能并入当地电网发电。也就是说，那时，地球上可能会鼓励人们用碳，而不是现在碳减排和限排，因为碳是植物的“粮食”。那时的石油可能象现在的煤一样，成为过时的产品。
（声明：本文作者保留要求任何使用本原理的组织或个人捐献低于其纯利润1%的资金给本文作者的权利。）
参考文献：
[1] 张三慧.大学物理（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999，4.
[2] 吴百诗.大学物理（上、下册）第一版[M].北京：科学出版社， 2001.6.
[3] 陈宜生.物理学（第一版）[M].天津：天津大学出版社，2005.
[4] 同济大学教研室主编.高等数学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，
1981.
[5] 曹焱.论光速的相对性和绝对静止参照系的关系——实验发现光子 动态惯性的存在[J].教育学，2013，3.
[6] 曹焱.论光的频移和时空相对性的关系[J].教育学，2013，8.
[7] 曹焱.论正负电子的结构和组成[J].教育学，2013，15.
[8] 曹焱.论中微子暨胶子的结构和组成——统一场理论概述[J].学习导 刊，2014，5.
[9] 曹焱.论电磁学中高斯电通量定理的谬误[J].学周刊，2014，12.
[10] 曹焱.粒子物理——核心学说暨质子和中子的结构和组成[J].学周 刊，2015，5.
[11] 曹焱，论物质的结构和组成暨广义统一场理论[J].中小企业管理与 科技（下旬刊），2015.8.
[12] 曹焱.狭义统一场理论-论电磁力与强力、弱力、万有引力的统一[J].
中小企业管理与科技（上旬刊），2016.2。