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温度的应用有什么?及其实际应用前景

2020-10-15 14:48:00  来源:彭晓韬

一、温度的真实含义或本质

1、温度的真实含义

根据普朗克黑体辐射公式:

如上图一所示:由于普朗克黑体辐射公式对一般物体的热辐射基本都适用,包括太阳辐射谱也基本上符合该公式。因此,物体的温度与物体热辐射谱峰值对应的频率相关的规律是存在普遍性的,可应用到一般物理研究中去。由此可见,物体的温度不是由其分子热运动的平均动能决定的,而是由热辐射峰值对应的频率决定的。

鉴于黑体辐射的峰值频率仅与分子的热运动频率有关,与分子的质量和运动速度大小无关。因此,我们有理由认为:温度仅与黑体辐射的峰值频率相关,而频率仅与分子的热运动频率相关。因此,温度仅与分子的热运动频率相关,与分子的质量、热运动速度、动量和动能均无关。由此可见:温度并非与分子的动能成正比,即不是分子平均动能的标志,而是分子热运动主频的标志。

二、支持温度为分子热运动主频标志的事实

1、物质相变期间温度与热量的关系

多数物质在相变期间,温度保持不变但会吸收或释放大量的热量。这与温度是分子热运动动能的标志不符。如:冰变为水或水变为水蒸气过程中,温度为0℃或100℃,但会吸收大量热量。热量的增加并未使温度上升的现象表明:温度与分子平均动能无线性或正比关系,如下表一和图二所示:

利用温度是分子热运动主频的标志就很好解释以上现象:作为固体的冰,其分子间距小、自由运动困难、热运动行程小;而水分子间距大、自由运动相对容易、热运动行程大;水蒸气分子间距更大,自由运动更易、热运动行程也更大。因此,在热运动频率不变的情况下,冰的分子动能最小、水次之、水蒸气最大。因此,0℃冰变成0℃的水时,分子动能大幅度增加,自然需要吸收大量热量。100℃的水变成100℃的水蒸气也一样且吸收的热量远大于冰变水。

2、主要金属比重与比热关系

按照温度仅与分子热运动主频正相关可以推测:物质的比热与比重呈现反比关系(分子间距越小,热运动自由度和行程越小,所需热量也就越少);而与单位体积内的原子数量呈正比关系。从下表二可知:比重与比热的积在1.47~3.47J/cm3*℃间;除铝偏差大外,其余金属的比热与单位体积原子数之比在1.325~3.264间,表现出了一定的规律性。

3、电磁炉和微波炉热效率高

微波炉与电磁炉热效率一般在80%以上,其主要原因就是因为其产生的交变电磁场的频率正好处于水分子吸收系数大的频段,水分子频率更容易被提高到与加热的电磁场频率相近。使由电能产生的交变电磁场能充分地发挥对加热物中水分子的升温作用。同时,减少了不同频率间的相互干扰与相互抵消作用而浪费的能量。

4、人流群体效应预示热平衡状态下分子热运动频率只能同步

当巨大人流行走在一条宽度有限的通道内时,相互间同步才是效率最高的通行方式。同理,处于热平衡状态时,物质中分子的热运动频率也必须相同,这样才会使系统稳定且不相互碰撞而发生能量转移而失衡。

5、半导体制冷(热)原理

当由两种(N和P型)半导体构成的制冷片通电后,电子由一端向另一端移动时,电子移出端因补充来的电子振动频率低于原来的电子,而使此端降温;而通过PN结运动到另一端的电子被电场加速后,振动频率提高使该端温度升高。这就是半导体制冷(热)的基本原理。

6、压缩方式制冷(热)原理

当气体被压缩时,由于分子间距减小,热运动频率自然上升而升温。而当减压时,分子间距突然增大而行程加大,热运动频率自然下降而降温。这期间均有外来热量交换但温度发生剧变的原因就是分子热运动行程的变化而导致热运动主频和温度的变化。

三、热辐射频率和电磁场强迫加热与分子热运动频率间的关系分析

1、热辐射频率与分子热运动频率间的关系

分子热运动过程中,特定分子受到周围临近分子的冲撞而改变运动状态并变加速直线运动,直到另一侧其他分子阻碍而发生变减速直线运动直至暂时停止运动,此过程即为分子热运动的一个周期。而分子中的原子在此期间的受力如上图三所示:受冲撞初期,电子最先受力并改变运动状态,电子运动状态的改变迫使原子核发生运动状态的改变。此期间会使原子成为一电偶极子。当运动一定距离后,电子与原子核的运动速度同步时,原子又恢复到了电中性状态;再运动一段距离后会受到另一侧临近分子的阻碍而发生减速运动。如开始正好相反,电子最先开始减速运动并迫使原子核也进入减速运动,此过程中原子又成为一电偶极子,但极性与前面正好相反。直到原子暂时停止运动时,原子又恢复到中性状态。因此,分子一个周期的热运动会使其中的原子两次成为电偶极子,也就会向外辐射两次电偶极子电磁场,也正好完成一个周期的电磁辐射,即热运动频率与辐射频率相等。详见上图四所示。

2、电磁场强迫加热与分子热运动频率的关系

当外部变化的电磁场作用于物质时,其中的分子中的原子将受到额外的、变化的电磁场影响而改变运动方式和状态。由于原子中的原子核和电子所携带的电荷异性且质量差异巨大,因此,在同样的外部变化电磁场的作用下,两者运动状态的改变方向相反、改变的幅度差异明显:如下图五所示:外部变化电场的上半周将使电子与原子核彼此远离而形成电偶极子;下半周又使原子形成极性相反的电偶极子。其变化规律与分子热运动情形完成相同。当原子在外部变化电场的强迫下,电子和原子核最终将与外部电磁场频率同步,至此就达到了加热的目的。

四、应用前景分析

鉴于温度与分子热运动主频正相关而不是与分子热运动平均动能正相关特点,并结果所使用媒介的温度和热量变化特点,我们可针对不同目的和应用场景来设计不同的加热或冷却方案,以达到快速、高效和节能环保的目的。

1、日常炊具的设计

1.1、煮饭炊具

从表一和图二可知:水的气化热相当于同质量的水上升1℃的535倍多,是煮饭过程中浪费能量的主要原因。因此,只要想办法在保证煮好饭的前提下,不使水分气化,就能节约大量能量。

A、技术路线

确定最佳煮饭温度及持续时间(含不同地域、不同压力、不同米质等)→确定最佳煮饭方案(根据最佳温度选择常压或加压,以不使水分气化为原则)→确定强迫加热频率→监测煮饭温度并实时调控强迫加热电磁场强度→监测达到设定温度的累计时间并及时断电。

B、实现方式

常压方式:我们可以设计成:强迫加热温度为90~95℃左右(可通过实验选取最佳温度,以不使水分大量气化为原则,以减少因水变为水蒸气过程中带走大量热量而产生不必要的能量消耗),其对应的强迫加热电磁场频率(详见表三)为21349346277535.7~21643292942516.2(Hz)。

加压方式:设计思路同常压方式。要实现的主要目标是:所选定的强迫加热电磁场频率对应的温度不会使水分大量气化。

功率调节:无论采用常压还是加压方式,强迫加热的电磁场频率确定后,可根据不同需求调节电磁场的强度来控制输出的加热功率大小。

频率选择:可选取峰值频率可调、频率分散度小的材料作为强迫加热发热源。以适应不同的需求并减少不同频率间的相互干扰而产生不必要的能量消耗。

注:表中对应太阳光谱峰值频率的温度为10205.93K或**32.8℃,与通常所说的太阳表面温度5700℃差异明显。

1.2、油煎炊具

油煎与水煮类似,油料的气化温度一般在300℃左右,油料气化也会带走大量的能量。因此,在确保油煎食物质量的前提下,将油煎温度控制在气化温度以下是节能的重要措施和手段。

A、技术路线

确定最佳油煎温度及持续时间(含不同地域、不同压力、不同食物等)→确定最佳油煎方案(根据最佳温度选择常压或加压,以不使油料气化为原则)→确定强迫加热频率→监测油煎温度并实时调控强迫加热电磁场强度→监测达到设定温度的累计时间并及时断电。

B、实现方式

常压方式:我们可以设计成:强迫加热温度为200~250℃左右(可通过实验选取最佳温度,以不使油料大量气化为原则,以减少因油料气化过程中带走大量热量而产生不必要的能量消耗),其对应的强迫加热电磁场频率(详见表三)为33695106206717.9~36634572856523.1(Hz)。

加压方式:设计思路同常压方式。要实现的主要目标是:所选定的强迫加热电磁场频率对应的温度不会使油料大量气化。

2、工业锅炉

设计思路与煮饭类似。根据目标制定加热方式:以供应热水为主时,在不出现大量水分气化的条件下选定强迫加热温度对应的加热电磁场频率;以供应蒸气为主时,选定强迫加热温度略高于水分气化温度对应的加热电磁场频率。

3、制冷设备

当需要对物体进行降温时,我们可以利用逐渐降低频率的电磁场照射该物体,使其分子和原子的热运动频率逐渐降低而达到降温的目的。激光致冷技术就是利用合适频率和相位的单色光(变化电磁场)使原子的振动频率降低而达到降温的目的的。因此,若能精确控制致冷光源的频率和相位,就有可能使物质逐渐降温以达到制冷的目标。

4、热力发电

目前热力发电有二种方式:一是通过加热水使其成为高压蒸气推动涡轮机旋转并带动发电机发电;另一是通过燃气燃烧直接推动涡轮旋转并带动发电机发电。

4.1、蒸气发电:在确定蒸气压力后,可根据实验测量出在此压力下水的气化温度,并根据气化温度计算(计算温度适当高于气化温度,不宜过高而浪费热量,因为蒸气温度上升对蒸气压力的贡献不大但消耗的能量较多,存在得不尝失问题)出对应的强迫加热热源的分子热运动频率。以达到最大效率地利用热能。

4.2、燃气发电:在确定燃烧室工作压力后,可根据最低燃烧温度计算(计算温度适当高些,以确保稳定燃烧)出对应的燃气用量,以减少因燃气用量过大而使燃烧室温度过高但工作压力上升较少而浪费燃料。

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