可再生能源二、技术背景在新能源的开发中，常能听到太阳能、风能、生物质能……却没有将 空气、地表水(江河湖海)、土壤中的环境热视作可再生能源，这可在“中华人民共和国可再 生能源法”中不予列入得到佐证。上一世纪中叶，中国物理学家严济慈曾提出利用环境热 的设想，只因当时石油价廉而未曾实现。第一次石油危机后，先进国家着手实施了 “严氏设想”，效果很好。我们在某校三年的试用中获得同样效果，淋浴用的热水中有2/3到 4/5 (夏)的热量来自空气，热水成本降低3-4倍，与太阳能相比，尽管要用电但所费不多，不 受天气影响、又不受楼层影响，加热可日夜兼程，(夜电是发电厂鼓励使用的谷电)规模又 是太阳能无法企及的(即能流密度高于太阳能)，可以说它是寄存在空气中的、包括太阳能 在内的各种逸散能被集中收回，虽然说不上富矿，但却有采不完的长处，称“可再生 能源”完全够格。人类的能源需求中供热是主要的。“我国的能源结构中占90%，其他发达国家占 85%，因此从某种意义上说，能源的开发利用在很大程度上是对热能的开发利用。”，可以成为可再生能源的未来明星.这是因为，原来热议的“生 物燃料”因有“与民争粮”之嫌，已被联合国、非洲、英国、美国下令暂停种植。许多国家向往 的核能也因为安全、核废、投入产出日趋倒置而失去吸引力，相比之下化一份电却得 到数份电的热，是电直接发热当量的数倍，其中除了一份电发的焦耳热之外，其他几份都来 自被称为纟无的空气、地表水(江河湖海)等废热，要特别指出的是，此废热不是电厂、钢厂 的余热利用，而是与周围环境无温度差的环境废热。“优中取热”是把热需求根植在循环 中，不但没有气污，而且吸收热污，是功能可与植物媲美的、吸收地球热的一种能源模式，既 无枯竭之虞，又无炳浪费，更有投入可当年回收的经济可行性，应该成为人类热能需求的 根本的长远出路。为此我曾在中科院旗下的杂志“高科技与产业化”上撰文呼吁，称该废热 制热取代燃烧制热的办法是最科学、最绿色、最经济的取热办法。如被政府解读，采 用“以玩代煤”的方法获取热能，那该是何等巨大的节能减排措施？我们假设全国原用于 发热的电量是三峡所发的电量，(其实远远不止)那废热制热的效果就相当于又建了三个 三峡水电站。今天我们要进一步阐明两个问题1、上述再生热的获得，出现了比“逆卡诺循环” 更好的效果，吸引我们深入探讨它的机制，以便回答“再生热”能不能提高温度和效率，以期 更为广泛的应用。2、要讨论是否能获取“再生功”，如可能，要回答如何获取的方法。这2个 问题都涉及到经典理论。鼓励我们知难而上的因素除了上述两个议题有令人神往的经济效 益之外，还有2个前人留下的宝贵科研成果作支撑1、1951年哈佛大学珀塞耳和庞德在试 验中发现了负温度状态，正如“热力学分析”一书所说该实验“对开氏表述提出了新的质疑”
动摇了开氏表述的理论支撑。鉴于热力学经典理论确立以来的200年中，人类的认识已有2次革命性进步，首 先，人们抛弃了热质说、构建了分子运动论和熵理论；上一世纪中叶又诞生了饼丨理论以及耗散结构理论，理论的每一进步都如智慧的灯塔，让我们离真理的彼岸更进了一步。应该感 谢普利高津的坦率和科学精神，这位耗散结构理论的创始人称“问题依然存在”并寄希望于 东方文化注9。我们认为，理论的确还有缺憾①热质说的退出不够彻底，经典中还有它 的遗存，②耗散结构的负熵理论尚可再进一步。只有在理论探索获得共识后，才能给“从空 气等废热中获得可再生能源”提供科学依据并藉此得到可行的方法，我们将仿照贝尼德蒂 当年质疑亚里士多德的“自由落体定律”的办法从经典理论的逻辑缺陷切入，以便在该课题 的必要性和可能性上尽快取得共识。回顾历史，我们知道卡诺在缔造经典时是热质说占统治地位的时候。当时社会要 求回答热机的最高效率是多少。卡诺用热质说和第一定律的雏形论证注10了他的卡诺 定律“工作在二个热源之间的一切热机，以可逆机的效率为最高 注11他以此为大前提， 小前提是把二个等温二个绝热过程的卡诺热机称为可逆机，这样就得到了所有热机中效率 最高的公式——η彡I-T2A1式子告诉我们当T1 = T2时π = 0，即“没有温差就不可能作 功”的结论——①没多久因焦耳等人的实验结束了热质说的统治，卡诺定律因前提缺失而 产生生存困难，由于上述推理是演绎推理，作为大前提的卡诺定律如果失效，结论必然无法 生存，即效率公式适用所有热机的结论要退到原范围(即只适用卡诺模式)。如果当时对危 机作深入思考也许是一个极好的纠错机会。但开尔文为挽救卡诺定律，直接确认“单一热源 无法作功”一②这一命题注12因为不引用前提，不加论证，正如教科书所说属“公理” 之列。很明显，②和①是同一意思，所不同的地方仅是适用范围不同。结论①来源于个别 案例的规律，即仅仅是二个等温、二个绝热这一模式推导而得的公式注13，要上升为所有 热机的最高效率，必须由卡诺定律作前提，方能将特殊案例推向普遍适用，否则会以点定 面的逻辑错误，正是这个原因，卡诺才先用热质说和第一定律论证了他的卡诺定律，可惜热 质说被废，卡诺定律本身失去前提，遂有开尔文直接确立开氏表述的挽救之举，以他的威望 当时未有异议。把显而易见的规律确定为公理，在科学史上并不少见。但开尔文直接将内容与卡 诺热机的结论①相同，仅是适用范围不同的②，直接确定为“开氏表述”，就是跳过必要前提 (卡诺定律)随便扩大了特殊案例的适用范围，把逻辑上原来“推不出”的结论作为“公理” 给确立了。试想要是没有卡诺定律出来否定超过n ^ I-T2A1的热机存在，即可假设有一非 卡诺热机X其效率是I-T2Zt1 ^ ι那只要连上一只制冷机即可在总体上成为单一热 源的热机而违背开氏表述(图ι中只要非卡诺热机x(左)去冷源的热量少掉点划线部份， 成为输出功W，减去给制冷机所作的功W1，W2就是总体上由单一热源Q2所作的功了)所以 说卡诺定律实质上是开氏表述赖以生存的、不可或缺的前提，跳过它直接确立开氏表述为 公理是不符合逻辑要求的。至于教科书称可以用开氏表述为前提，用反证法论证的卡诺定律，这完全是用原 结论为前提去论证原前提的循环论证注14，理由很简单，因为卡诺定律是开氏表述不可 或缺的前提不能再回过来用“开”证“卡”。循环论证在形式逻辑中被称无效论证。至此，开 氏表述在确立过程中的二个逻辑缺陷已经很明确①直接以公理的形式确立开氏表述，不 符合逻辑要求。②用开氏表述作前提论证卡诺定律是无效的循环论证。至于那个被称作为
4“虽然其前提热质说是错误的，但结论却是正确的”注15卡诺定律随它的前提而去，应该 是唯一的符合逻辑的必然归宿。我们之所以详细披露这一逻辑缺陷是因为它在本文的立论中具有基础意义。没有 这个基础问题的破解，文章就成无源之水、无根之木，也就没有必要让人们倾听，只有在上 述缺陷被公认，文章才有展开的价值。1、热泵聚热的启示我们之所以要假设理想气体和理想过程，目的全在于让过程摆脱种种非主要因 素，看一看在什么情况下可以得到最佳效果，以便获得通向最高效果的“路线图”，如果理想 化后的效果并非最佳，那就需要全面反思出错的原因，很可能是一个不该摆脱的因素被摆 脱了。这因素就是力场的存在和变化。卡诺假设的工质是分子之间没有作用力的理想气体，热泵的制热效果恰恰是依 靠工质分子之间有引力存在一一当工质被压缩到一定距离分子之间引力起作用，凝结成液 滴，自由度改变而相变放热，才让我们获得了“再生热”，其结果比“理想”的逆卡诺循环效果 更好(见图1中a’d c b a’循环比逆卡诺循环a d c b a省了面积为a b a’一块功)，真 实气体作冷媒的蒸发过程，吸收热量比卡诺循环的等温膨胀吸收的热量多(差一汽化热)， 真实气体的分子之间因为有引力，液化时相变放热，又比理想气体单纯压缩得到的焦耳热 多这一现象让我们看到了真实气体的效果反而超过“理想”气体的结果，这一结果有着重大 理论意义，这个被熟视无睹的现象与负温度现象、徐业林的实验注16系同一渊源，详析见 第一节。2、经典理论的梳理受到实验事实、最新理论、形式逻辑挑战的经典理论的确有缺陷。大家知道热传 导、功转热二项都是熵增过程，而热功转换却是无序向有序的转化，因此，把开氏表述与克 氏表述等同、与不可逆规律等同很不妥当，可以说是造成“热寂”理论的真正原因，大自然应 该、可以、也的确存在“非开”过程，只有非开过程才是驱除“热寂”的最精准的理由。诞生于热质说的卡诺理论有四方面的缺陷，重新定位已不可避免。3、负熵诞生的机制众所周知，不可逆有动力和通量两个概念，熵增律是以分布为“动力”，以“最大紊 乱”为劫底注17的状态规律。其广泛适用大家并无异议。但同时存在的状态规律不止一 条——势能最小原理、速率分布以钟型曲线为劫底、能量分布以自由度均分为劫底等规律， 所有物质的原子结构都以2η2规律为劫底……这些都是状态规律。运动在走向各自劫底时， 出现有向运动，都有带来有序的可能，负熵在走向运动有序和走向结构有序中诞生。前者因 热变功而表现为吸热降温、后者因自由度变小而表现为放热升温，负熵与熵增是一个问题 的两个方面，构成大千世界的循环，本文会阐明正熵与负熵都在一定条件下诞生，所谓“自 发”只是以常态为条件而已。完全不应该由人为主观划分而得到的“开放系统”和“孤立系 统”来划分适用范围4、可以有更好的循环第一次论证是前提错误，第二次论证是逻辑错误的卡诺定律的确有错理想热机 不仅要求运行理想(可逆、无摩擦的假设保证了运行理想)还需要模式理想，卡诺循环在处 理因膨胀而带来的工质熵增问题上，用等温和绝热压缩让工质仅在表面上回到了原点，“无限大”冷源的假设掩盖了熵增的后果，“外界”并没有与“系统”同时回到始点，因此说卡诺 循环不是完善的循环，不再具有结论来自孤立系统的理论价值，这在还没有熵概念的卡诺 时代是无法感知的。更重要的是，卡诺热机本质上不是效率最高的理想热机，只有在循环中去除“等温 压缩”这一功变热的熵增过程而换成熵减过程，才能得到真正的理想热机，模式为三维循环 的理想热机，会有更高的效率，达到卡诺所说的“再高就无中生有了”注18的高度。正如 ‘反证’中所说，如果有超过卡诺效率公式的热机与制冷机联袂，就会产生违背‘开氏表述’ 的现象——单一热源做功。也就是说，可以从“联袂”的结果得到从被称为丨无的空气等废 热中获得“再生功”。5、热功转换的本质热功转换的本质是粒子的运动方向因‘势差’获得一致的有序后被截获，才成为 功。而温差只是势差的一种。据此，主导工业革命的温差热机只是“热功转换”中的一种。 热质说虽然被作废，但作功是因为“热质降落”必须有温差才能作功的思想注19，仍被保 存在“温差热力学”中，其实工质靠加热获得膨胀，受气缸的限制，膨胀朝一个方向进行而得 到有序，由活塞截获而获得了功。作为传统的温差热机也同样可用上述“截获有序”来解释。 作为热功转换中的一种形式，温差作功的模式只是一个“点”，其效率公式不能向整个热功 转换这个“面”推广。在“面”的范围里存在着靠其他势差获得有序并截获为功的可能(如 场变做功)因此，结论应该是由无序走向有序的热功转换，有温差固然可以做功，无温差 而有其他势差也可“截获有序”而做功。至于效率问题，当然就不应该受其中一个“点”的 规律(卡诺公式)的限制了。6、真理简单而美丽可以在沦落为纟无的热能中获得热和功，(炳和忧的概念仍适用温差热力学的 范畴)其根本原因是因为改变粒子的运动方向只需要条件，而并不耗功，这可以在洛伦兹 力中电子的表现得到证实。经典理论未考虑粒子在力场中的表现成为出错的原因。要得到 热能，除了可以给系统做功、加热(热传导)——加强紊乱粒子的动能之外，还可以由结构 变化得到。要得到功，也可以由力场来纠正粒子的方向，把它们方向一致后的能量截获(不 用活塞)就可以。真理是简单而美丽的，人类可以在能量的形式转换中按需索取，真正的可 再生能源让人类无需担心能源的枯竭。
目录1、热泵集热的启示2、经典理论的梳理2. 1、开氏表述与其他表述并非同一，可以切割、分离。2. 2、开氏表述遭实验否定理论上并无羁绊。2. 3、卡诺理论缺陷有四。3、负熵的诞生机制3. 1、由力场引起的“最小能原理”可与熵增共轭3. 2、气态方程应该是 nQ = Mg/4 π r2KT
3. 3、强力场改变自由度，诞生结构热3. 4、力场带来位能的概念，应恢复克劳休斯对第一定律的首次表述，即dQ = dH+dJ+dff,3. 5、力场带来了“负温度”现象，开论从此终结3. 6、状态规律的多元化，使正熵负熵皆有可能4、更好的三维循环4. 1、可以在严格的孤立系统中演绎违背开氏表述的三维循环。4. 2、热功转换的本质与规律5、能量集中的方案1、热泵集热的启示一度电的投入，却获得了几度电的热量，这现象在上一世纪中叶就让人称奇。此事 发生在莫斯科卫生设备制备厂，当时大家称奇的实际上是半导体的帕耳第现象，这是塞贝 克效应的逆效应。当一块N型半导体与一块P型半导体联结成电偶对，并在电路上加直流 电时，会出现一端吸热，另一端发热的现象，发热的量超过了直流电应发的焦耳热，超量的 热来自冷端，从空气中吸收的热量。好奇的人们惊呼得到了恩克斯所说的“能量集中”但“电 制冷”与“热泵制冷” 一样，人们深究的兴趣都被“逆卡诺循环”的解释浇灭。今天当可再生能源成为全球话语时，我们觉得剖析一下热泵以及“电制冷”对获取 ；！:无中热很有必要。先说热泵图2中那条虚线中描述真实气体的等温线族，b向 a的等温过程是汽液共存的状态，它温度不变，压强不变，但体积变小了，我们知道在等温膨 胀过程中因为 V2 V1 所以 AS = / dQ/T0 = 1/Τ0- / dQ = ν Rln(V2A1)是正熵，今 V2 V1 应该是一个负熵过程，尽管这一过程是在外界作功压缩的帮助下得到，但作功压缩所费能 量在热端以不少分文的焦耳热放出。并不因为做了带来负熵的“负熵流”有任何能量损失， 真实气体是靠气体分子之间到达某个距离引力为主。(图4中上方虚线为斥力，下方虚线 为引力，实线处出现引力，Γι处引力最大，rQ为斥力、引力的平衡点，分子间凝结 为液滴，自由度改变，遂在热端放出冷端吸收来的那份热量。帕耳第效应基于同一原理，只 是由电子“操作”，电子在冷端固有电场的吸引下加速，从而吸收空气中热量，在热端放出而 已，共同点都是在力场的参与下成功，关于自由度变化伴随熵变在本文3、2中详述。大家知道功是“过程量”，即功不是状态的函数，只知道初末状态并不能确定功的 大小，因此图2中我们完成同样循环却比卡诺循环少付出ba’ a 一块功有重要意义，后面的 分析会知道它与负温度、徐氏实验出于同一渊源。2、经典理论的梳理2. 1开氏表述与其他表述并非同一，可以切割、分离首先形式逻辑告诉我们，概念有相容与否，相容概念又有同一、交叉和从属之分 (首都和北京是同一、男人和学生是交叉、中国和上海是从属)，所以将不可逆规律与克氏 表述、熵增律、开氏表述称为同一并统称为热力学第二定律是一个错误。开氏表述与其他表 述也的确不是同一关系。热力学第二定律是作为热功转换规律的研究而展开的，人们在研究该规律时领悟 了事物发展的不可逆属性，应该说克氏表述是对热传导的不可逆性的表述，仅是不可逆过 程中的一种，但它又很快被证与开氏表述相通。本节会说明相通的含义但绝不是同一的意
7思，正如严济慈所说“象这样的热力学来泛指研究一切变化的科学，热力学这个名字已失
之太狭” [注 22] °我们认为1、单一过程的不可逆规律是宇宙级规律，它与相对性、守恒律、因果律等 一样，是几乎渗透到每一角落都在起作用的普适规律，可以说，所有事物、所有过程都在不 可逆转的走向平衡的终点。2、克氏表述则狭小的多，是描述热传导“向”的规律，它应该与描写热传导“量”的 规律——傅立叶定律并为一统。3、大家知道，不可逆有动力和通量2个属性，“熵增”是以分布为动力的不可逆过 程，大家对它的正确性并无异议，但因为尚有其他动力的状态规律存在，“系统熵极大”就不 再是无条件的、唯一的状态结果。负熵过程不仅如耗散结构理论所说存在，而且可按本文所 说求得。4、表达热功转换规律的开氏表述才是真正意义上的热力学范畴内的规律它包含 着“单一热源无法作功”、“第二种永动机不可能”和效率公式这几个其实是同一互通的表 述，由于受实验事实的挑战，它的正确性需要再研究，这个历史上争论最多的话题，今天应 该到定格的时候了，它与单一过程的不可逆性，包括单一热传导过程的不可逆性，可以切割 分离。互不影响各自新的定位。2. 1. 1其次要定义，不可逆是指一个过程。该过程在某个条件下，自发地、不可逆 转地朝某个方向发展。“自发”的动力来自梯度，过程因梯度的作用而始、因梯度的消失而 终。克氏表述的热传导梯度缘于温差，熵增过程的梯度缘于“分布”要走向最可几状态。我 们把走向平衡所需要的时间称为驰豫时间，长则亿年短则几秒。我们把这一过程都称为一 劫，把最后最为稳定的平衡点称劫底。有动力，走向劫底成为必然，没有动力，则过程无法启 动。“可逆”的假设是违背“一切过程都是不可逆的”这一已知真理的。“可逆”的思维方式， 还停留在“时间反演对称”的牛顿时代，还没有引入“对称性破缺”的“时间箭头”——这个 经典热力学研究中最重要的收获。循环决不可能由“可逆”来完成，只可能由另一动力的不可逆过程互为首尾构成循 环。简言之图5中abc过程不可能由可逆的cba去完成，而是由另一动力的cda来完成。2. 1. 2把熵增看作所有不可逆过程的共同原因是一个错误，不可逆过程各有各的 动力，各有各的劫底。说他们相通，仅仅是指在不可逆这一点上存在共性。图6左图是教科书观点的逻辑图示，A为不可逆规律、B为熵增律、C为克氏表述、 D为开氏表述，图6左图表明A与B、C、D为同一关系。图6右图表明我们的观点B从属于 A，B中E、C 二个不可逆过程分别为功变热的E和热传导的C，都是不可逆过程中熵增的一 种，与“不可逆”规律这个宇宙级规律是从属关系。将不可逆与熵增律、克氏表述、开氏表述 混为一谈之所以是一个错误，是因为这样会排斥掉同样是不可逆的，但属另一动力的负熵 过程X，梳理这个逻辑关系的目的就是借以说明在图6右图中可以有一个X的负熵过程，包 括走向运动有序的D和走向结构有序的F，(热向功的转换说明系统内有一部无序转变成 有序，应该是负熵过程)它们都是B的对立面，却也是不可逆过程，它可与E或C构成循环 (后详述)，而这在图7左图中，因为熵增律B错误的扩大为不可逆规律A的同一关系，X是 不允许存在的。这使图6左图“热死”不可避免注21，图乙则不可能发生“热死”。2. 1. 3在热和功这二个能量形态之间不存在势差，因此不可能诞生“自发”的不可逆现象。热不可能无条件的转化为哪怕一丁点功是大家所熟知的，转化是在热机的条件下 成功的，同样，在没有摩擦和电阻的这一类条件下，太空中的陨石、超导中的电流并没有自 发变慢而发热，也就是说功转换为热也是有一定条件的。处于惯性状态的机械运动与处于 最可几状态的分子热运动一样，都处在最稳定的平衡态，连时间概念都已消失(平衡态已 无驰豫时间概念)，无外界干预将一直维持这一状态，不具有自发转化成其他状态的动力。 后面我们将知道熵为零和熵极大是两个极端，熵增、熵减是在既不为零也不极大的情况下 描写走向“更乱”，或“更有序”的2个动态的描写。熵增熵减各有条件而成、各由动力而生， 都是不可遏制的不可逆过程。2. 1. 4教科书在证“克” “开”互通时称，如果“开”不管用，则会导致热量从冷端跑 向热端的最终结果，我们认为这一点不奇怪，而且是应有之议，因为此时的最终结果已不是 “单一过程”的结果，而是循环的结果。这里“单一过程”的概念很重要。熵增和热传导的单 向不可逆都是指与梯度相始终的单一过程。不可逆并不排斥状态可以由循环重建。简言之， 不可逆专指单一过程，不涉状态，状态可以是多个过程的结果。如果因“非开”的假设得到了 “非克”的推论——热传导反向原路返回了，那克、开的确相通。现在的情况是“非开”提供了 另一途径，让热量回到高温端，仅仅提供了热传导可以重复出现、继续进行的可能，非开过 程是循环中的另一半(图6中cda)，二者称同一并不妥当，正如《热力学分析》一书中所说 “近些年来，对二种表述的条件与等效性问题提出了新的疑问，尤其是1951年核自旋系统实 验提示了负绝对温度的存在，并证明负绝对温度比正绝对温度更高的事实，对热力学第二 定律提出了新的质疑”。“克”、“开”二论是不相容的并列概念，描述热传导的克氏表述的C 属于熵增过程，而热变为功的过程则是负熵过程，说清这层关系是为了他们能分道扬镳。2. 2开氏表述遭实验否定，理论上并无羁绊2. 2. 1生命的背后是负熵开尔文是提出“开氏表述”的始作俑者，他在“热的动力理论”中仍很小心地把表 述放在“生命”之外。他说“利用无生命物质的作用，把物质的任何部门冷到比它周围最冷 的客体的温度以下，以产生机械效应这是不可能的”即后来称之谓单一热源作功不可能的 开氏表述。我们认为开尔文把表述的适用范围定为“无生命”物质尽管学风审慎，但不应以 生命为界。生命现象是有序的奇迹，它把吸收到的热能、光能存储在结构中，以至薛定谔极 为深刻地说“生命就是负熵”。今天赖以为用的石化资源还是当年的太阳能存储，在生命现 象的背后必有规律——负熵的诞生机制支撑着，一旦揭开，开翁的预留空白将证明先贤的 前瞻性担忧十分英明。与恩克斯的待解论一样，表达了大思想家严谨、精确的风范。2. 2. 2非开过程可以、应该也的确存在着。首先，开氏表述并不是被实验直接验证的结果，而是思辩结果，不符合科学定律要 由实验支撑的规矩，可以有错。上个世纪美国负温度的实验得出了直指开氏表述的结果，中 国报道的无偏二级管实验，热泵的超理想工作都与开论有悖。如果说科学是实验为依据的 规律探索，那么面对排闼而来的实验事实，难道还坚持思辩结论？其次，开氏表述有错误才附合对立统一之规律，才不与达尔文学说相悖；既与η =1的能量守恒定律相合，又不影响单一过程中的不可逆规律的广泛运用，其中包括克氏 表述。相反，它的正确会带来热寂说，会带来循环的另一半的缺失，会带来与第一定律“质” 的矛盾(恩克斯语)，所以应该有错。
最后，即使因为它的失效带来了单一热源作功的“第二种永动机”，那也与第一种 永动机无中生有不一样，正如严济慈所说“永动机”这个名字很不恰当，我们认为永动2字 不该有贬义，因为这种循环永动的存在是永不停息、循环运转的大自然的缩影，有此“缩影” 才线由不完全归纳法确立的“公理”有错并不奇怪。所谓不完全归纳法与完全归纳法的区别在于后者对所论都一一验证，这很可靠。 比如说“金属都导电”的这一判定就用所有金属的一一导电来证明，而前者则不一样。靠 观察众多事例来确定规律往往是N个例证是正确的，但无法证明N+1的正确性所以需要科 学解释来支撑，开氏表述是以“公理”引入的，它的支撑就是当时被看作绝对、无条件的熵增 论。今天，耗散结构理论已论证大量负熵现象的存在，并已获奖、公认。我们要阐述的仅仅 是负熵的诞生机制，是另一些与熵增律同时存在的状态规律，主导着负熵过程。熵增熵减同 时存在于宇宙之中，不过各有不同的诞生条件罢了，它们同样都不可阻挡地走向各自平衡 的劫底，以至相应地诞生了有序、无序。一旦匡正了“科学解释”就可以解释二者在不同条 件下如何诞生。历史上不完全归纳法出错的例子并不少见1、亚里士多德的“自由落体定律”为典 型，亚里士多德认为自由落体总是以重的物体先落地，这很容易在石子和叶子落地速度的 实践中观察到而成为“公理”，所以“正确”了二千多年，但在伽里略时代，一个叫贝尼德蒂的 意大利人用睿智的逻辑反诘提出了问题，结果被伽里略一锤定音，亚里士多德错了。2、在 惯性定律发现之前，人们“观察”到一个规律所有运动都会慢慢停下来，所以中国的庄子才 对日月的运行发问“其运转而不能自止耶”很明显，他认为“不能自止”是反常的，哪知“不 能自止”的惯性运动与静止一样，才是不需要解释的正常状态。可以说，现象与本质往往不 完全统一，同样说“熵增熵减都是有条件的”，会违背人们已经接受，并定格了的“真理”再认 识必然有很大阻力，需在后面详析。2. 3卡诺理论缺陷有4既然开尔文论证无效，“挽救”即归失败。而原来二个逻辑关系却依然存在①上 面阐述的卡诺定律是开氏表述不可或缺的前提。②热质说又是卡诺定律不可或缺的前提。 这样，三者构成了热质说——卡诺定律——开氏表述的逻辑链，最终前提是热质说。热质说的组成有二部份，当年热质说被废的只是“热质不生不灭”这一条，另一个 重要组成“温差才能作功”的思想一直保存至今，仅仅把“热质的量决定于温差”中的“质” 字改成了 “量”而已，“没有冷，热将无用”、瀑布和水轮机的比喻都反映温差作功的思想，这 与我们“功是有序的截获”的本质认识完全不同。“温差可以作功”没有错误，但把它看作唯 一才是一个错误，卡诺模式可以是热功转换中的一个模式，但把它看作最佳才是一个错误， 二个错误源于对本质认识有误，以及逻辑思辩有误。让我们打开尘封的历史，看一看卡诺理 论的缺陷。热力学经典理论诞生在蒸汽机发明之后。当1768年蒸汽机基本完善，社会急需回 答热机的理论最高效率是多少，年轻的法国工程师卡诺，用思想实验回答了这个问题。他的
基本思想[.注22]有a、当时占统治地位的热质说——“热是无重量的在任何过程中不会产生、也不会 消灭的粒子流”、“物体的冷热程度决定它含热质的多少”。
b、他父亲拉扎尔研究并断言的“永动机是不可能实现的”信念。C、温差作功的思想。“单独提供热不足以给出推动力，必须还要有冷，没有冷，热将 是无用的”。d、最大值思想。他把热机比作水轮机，认为与水轮机依赖于水位差和水量一样，热 机的动力依赖于温度差和转移的热质，他说“每种情况都有一个最大值，一方面不管水作 用的是什么机器，另一方面也不管热所作用的物质，我们总不能超过这个最大值”。e、不可逆思想。从高温向低温所发生“热质降落” “再完成相反过程，这是不可能 的了”。这些基本思想(b)、(e)、(d)竟是热力学第一定律、第二定律、以及卡诺定律的刍 型。不能不承认这位天才的年轻人是经典热力学的奠基人，但可悲的是在当时的社会里，他 在世唯一公开发表的著作，在十一年内一本也未卖出，那个被恩克斯称之为“美丽的平行四 边形”的卡诺循环示意图(图7)还是这位36岁就英年早逝的天才死后二年由克拉珀龙所 绘，用绝对温度来表达的式子n I-T2Zt1是开尔文最后完成的。任何历史人物都会有受 时代限止的认识错误，卡诺他们也不例外①卡诺理论发端于热质说，在对热功转换的本质 认识上至今还有热质说的影响，②由于当时尚未有熵理论作指导，以至卡诺的“理想热机” 模式并不理想，③研究方式有误④结论的适用有误2. 3. 1卡诺之错在于当时流行的热质说，使他对热功转换的本质认识有误因为热 质说把热功转换称“热质降落”，这使它可以与瀑布一比，把温度差比作高度差，诞生了温差 作功的理念。但实际上热和功的本质之别，仅仅是粒子的运动有无共同方向。有，则可以得 到机械功或电能。无，则是热能。因此从分子运动论的视角看，热功转换本质仅仅是纠正 粒子的运动方向，使其一致而已，卡诺热机是用汽缸限制了其他方向的膨胀，只留下活塞 方向可以膨胀的办法，收获一致的，这在当时很了不起，可以说这在人类历史上有划时代的 意义，火、功、电三者的获得都让人类历史有重大转折，开创了新时代。也正因为“膨胀作功” 带来的欣喜。以至卡诺说“产生最大动力的必要条件是，在实现热的动力的物体中，不应该 存在任何不是由于体积变化而引起的温度变化”注23这个“温度变化”就是指热辐射、传 导、摩擦等浪费掉的热量。可以看到卡诺当时还不知因工质膨胀而产生的熵增。当时的认识 水平，人们还不懂得熵增是什么。后面的阐述让我们知道，如果没有温差存在，也可以由力 场变化来更有效的纠正方向，而力场变化所作的功被保存在方向一致后的功的增量中，以 至力场仅仅是这一转变的条件而并无消耗，这一新的理念让我们跃出了温差作功的桎梏。从熵理论看热机作功就是某系统熵减的过程，即系统中有一部分无序变成了有 序，其本质完全不同于瀑布，瀑布的比喻在热质说被废后则完全不能再用，它是势能向动能 的转化，在没有摩擦的理想境界，势、动能的转换效率应该是η =1，与热功转换的规律没 有共性，当年卡诺却认识不到，他运用瀑布比喻称超过这个结论就是无中生有了。被比喻的 热机有瀑布一样的100%的效率，才让大家承认它是理想热机，正如大家知道的那样，卡诺 定律就是用热质说和第一定律雏形来证明的。热和功的转化有它自己的规律。(1)无序不会自发转变成有序。(2) —旦某个条 件成就，无序可以转化为有序，也就不在乎无序处于常温还是高温。热向功转换只有二个条 件，(1)必须诞生有序(2)必须截获或导出有序。至于效率可以在零到一之间，不应该受温 差作功规律的制约。温差诞生有序，只是“某个条件”下的一种，其规律不能以偏盖全。
上面所说的“其规律”当然就是指卡诺得到的理想热机的效率公式。不能以偏盖 全是指，二个等温二个绝热的卡诺模式在热质说被废后，就再无理由称热功转换中的最佳 模式。2. 3. 2卡诺热机是改变容积作功，都在工质受热膨胀的情况下得到“功”的，都有 一个工质膨胀的问题。卡诺循环的cd过程(图7)目的要解决工质的膨胀问题。用外界作 功、等温压缩的过程来解决问题，的确收到了体积从c到d的结果，但外界作功、冷源收热是 一个功变热，有序变无序的熵增过程，与热机的尽可能多获取负熵的宗旨有悖。所谓理想热 机不是过程没有摩擦就行，还要从过程的模式考量是否理想说卡诺热机不可能是最理想的 热机，是从其设计的方案中看到cd过程，这一胎记毛病，后面介绍的没有cd正熵过程的三 维循环就比它有更高的效率。2. 3. 3卡诺的“二个无限”的假设，使它的结论失去了理论上的指导意义。第一个“无限缓慢”的假设已经有人作了抨击。他们是柯曾(F. L. curzon)和阿尔 博恩(B. Ahlborn)在1975年最先注意到这个“无限缓慢的循环”功率会接近于零[ffi24]，没 有功率输出的热机有什么意义呢？失去了研究的必要！他们推得最大输出功率时的效率 为η = I-OVTh)2与卡诺的结论相差很大，假设高温是1600K，低温是400K，则卡的结论 是75%而柯与阿的结论只有50%差25%，而75%的结论是“功率接近于零的热机的结论” 没有现实意义，似乎不必去关注。第二个“无限大冷源”的假设遮盖了循环越出孤立系统的事实，循环实际上是在闭 口系统中进行的。我们发现①如果没有冷源，压缩的结果只能是沿着cb绝热线返回，成不 了循环。②冷源小了，由第一定律可知冷源必然升温，这使外界“有变化”。③只有“无限大 冷源”，才使升温变得无限小，外界的升温被掩盖，达到了 “无变化”的结果。但由于有边界 的孤立系统装不下“无限大的冷源”，也就是说无法回到孤立系统中讨论，因此可以说cd过 程不断向外界扔废热的过程，实际上是在有热量转换的闭口系统内进行。不再具备原来希 望具有的意义——结论诞生于“孤立系统”！如果我们放弃使用“无限大”冷源的假设，加进一个不断清除废热的过程而从闭口 系统回到孤立系统，那结论就完全不可能达到η 1-Τ2/Ι\这个理论上限，而是更小，这一 式子的原意是理想热机使用等号，而真实热机使用小于号，既然孤立系统里得不到理想热 机这个上限，即要放弃式子中的等号，这使卡诺理论在基础处出现崩塌。崩塌从两个方面 说首先按他方案设计的热机，即使在“理想”的层面上也根本到不了预定上限。它让等于 号失效了。第二，其它模式——有负熵流参与的过程(后面专谈)又能够不受他上限的限 止，又让小于号失效。这就使卡诺的研究失去了意义。究其原因，不仅因为卡诺模式有一个 并不高明的cd过程，而根本原因又根植于那个时代对热功转换的本质了解不够。2. 3. 4上面分析让我们得知，因原设计的胎疾η ^ 1-T2/I\的效率公式并不能称 热功转换的最高效率，只能是2个等温2个绝热的卡诺热机——严格的说只能是功率接近 于0的卡诺热机在闭口系统里运行的结论——一个没有理论指导意义的一般结论。如果我们摆脱热质说和“卡”、“开”的错误，不仅仅局限于“温差作功”的思维定势， 将负熵过程嵌入热机，结果会完全不一样，今天耗散结构理论列举的负熵案例已被公认，我 们只要再进一步说明其诞生机制，就能得到真正的理想热机和新的热功转换规律。而这需 要用更为宽泛的视角来看问题。
3、负熵诞生的机制3. 1、由力场引起的“最小能原理”可与熵增共轭耗散结构理论列举了大量负熵实例，并称称只要负熵流的绝对值大于熵产生，就 能得到负熵。我们认为这一说法与负熵诞生的最终机制破译仍有距离，而”问题依然存在” 的原因是耗论并未涉及熵增律的适用范围。人们把熵增律看作状态的唯一规律，将其完全等同不可逆规律是一个不小的错 误。世界是多维的，“不可逆”包含多种有势差的过程，熵增律无疑是一个走向自身“劫 底”——熵极大的规律，但不是状态的唯一规律，粒子走向最小势能的规律完全可以与之共 轭，有着同样广泛的适用范围。“最小能”原理可以从原子核的构建谈起。我们知道自由质子与中子结合成原子核时要放出能量。反之要使原子核分裂为自 由质子和中子时需要外加同样多的能量，能量ΔΕ就称为结合能，ΔΕ与质量数(核子数) 与之比就是平均结合能，平均结合能愈大原子核就愈稳定，人们发现质量数为中等的数值 (铁、镁、铜)其平均结合能最大，平均为8. 6MeV这就很好地解释了为什么重核的裂变和轻 核的聚变都能放出巨大能量，原来它们都在朝中间走——趋向最为稳定核的状态劫底！再看原子的构成，由泡利不相容原理计算得到的各壳层可能的最多电子数为2η2， 对于K、L、M、N……各层最多分别可容纳2、8、18、32……个电子。当原子形成分子时，又以外 层为8个电子的惰性元素的构型为劫底。电子处于较高能级时，总是伺机返回它的稳定态， 2η2、八隅律……这些宇宙大爆炸后就起作用的“状态规律”让我们吃惊的发现，宇宙在组建 万物的基石——元素时，就不是简单的走向无序、走向熵极大，而是十分的有序！能量最小原理、能量按自由度平均分配的规律、速率按麦克斯韦曲线分布的规律。 这些大家熟知的涉及粒子和它所携能量的分布规律都应是状态规律，包括熵增律在内的这 些“状态规律”都在各自自发地走向各自的劫底，从而带来能量的转换、带来有序。孔子曾 感慨江河在走向势能最低的大海时是那样的“不舍昼夜”。大自然这种互为始、终的“多维 循环”比西方一唯追求“第一椎动力”的哲学思维深邃得多。我们在文章的最后会悟得“各 种形式的能量因循环而互为能源”！ “能无源、唯循环”六个字是本文主题，不管什么形式能 量的获得，都不过是人类在某个循环中成功的截获，原来意义上的能源二字，不过是地球村 蒙昧时期的方言。3.2、状态方程应该是 nQ = Mg/4 π r2KT经典热力学中最基本的是状态方程、内能和熵，其它热力学函数都可以从这三个 基本函数导出。可惜状态方程中没有考虑力场的作用。与上述核、电相比，万有引力是四种 力中的最弱的力，但它仍能左右熵变。波尔兹曼的式子η = n0e-mgh/KT中没有说到Iitl由哪些 因素决定，而状态方程P = IitlKT中的Iitl也没有考虑到地球引力场的存在。大气压是大气总 重量Mg除以地球表面积4 π r2而得到，所以有P = Mg/4 π r2这个P应与状态方程中的P相 等就有nQ KT = Mg/4 π r2，即nQ = Mg/4 π r2KT，这方程比nQ = P/KT状态方程就更全面了， 也就是说 由四个因素决定，其中M、g、r三因素不变，所以Iitl仅与T成反比。T大Iitl变小， 是膨胀，T小Iitl变大，是收缩，这是大家知道的。但我们假设M和g也能变，那么g或M变大 时 也变大，相反Iltl变小。也就是说促使Iltl变小的膨胀还可以由T之外的其他二个因素 决定，这让我们多了一份遐想。图8中等温线”对应的横 坐标\、V1^V2就是该温度在地球这个力场中的当有体积。
HP = I直线以上的任一点都有膨胀的趋势。要沿等温线的交点 上，与当有体积对应。这一过程是熵增过程(V变大)。我们过去并不注意P= 1直线以下任一点都有延等温线这直线交 点的趋势。因为它不自然存在，P = 1的以下诸点都有表现为被迫收缩的行为，即温度不变， 只是体积缩小了，熵减了。这二个现象是整个大气与地球引力场有一非平衡定态所至，用普 利高津描写“最小熵产生”的话来说，凡是离开非平衡定态的“小小扰动”最终都会自发地回 到非平衡定态上来。能够证明这一规律的现象就是每摩尔气体在标准情况下都有22. 4升 这个事实，不管离开这个体积的原因是什么，也不管是大于还是小于原体积，它都要返回， 而不管返回时熵增还是熵减。大家知道熵增的动力来自走向紊乱——走向最可几状态的不 可逆性，而这里的负熵的动力来自走向势能最低处，同样具有不可逆性，而且因为有力场背 景，显得十分强劲，它们各自独立作用，走向各自的平衡点，决不自行停歇。非平衡定态是双 方势均力敌的结果。下面假设g为可变，那么nQ = Mg/4 π r2KT中膨胀现象就不仅仅在T变化(增高) 时出现了，在力场变化(变小)时也能出现，这不是启迪我们可以利用力场变小引起的膨胀 作功，它可以在不加热升温的情况下靠内能降低作功，是的，控制力场的变化与控制温度的 变化一样也能带来有序，而让活塞截获膨胀带来的有序，就能得到机械功！这是该式子带 来的第一个启示。第二个启示是原来作为熵增现象而广为举例的自由膨胀，不过是g为零的时候的 一个特例，(g —0， 一0)，也就是说在有地球引力场的情况下，最小能原理与熵增共同作 用，才导致气态方程这个规律的建立，熵增不在是没有条件的行为，熵增、熵减、熵极大的出 现都有一定条件。产生上述现象的原因是最小能原理这个状态规律，它要求粒子尽可能地到势能最 小处活动，从原子的组成到大气的状态都服从这一规律，原子系统在正常状态下，各电子趋 向尽可能占有最低能级。电子壳层的填充就是以最低能级壳层开始，然后依次向能级较高 的能级发展。如因某个原因跃迁到了高能级，它会发出相应电磁波而回到低能级。大气则 既要遵循膨胀、扩散、最大程度紊乱的熵增律，又要遵循收缩、集合、最大限度的回到势能最 小处的最小能原理，大气的状态是两者共同作用的结果。P = 1以上的任一点都有膨胀到 平衡点的趋向，是正熵区，P = 1以下的任一点大气都有回平衡点的趋向，是负熵区。我们 看到熵增熵减都在一定条件下实现，而力场这个条件却是无处不在、无时不在的，没有力场 倒是个特例，是一个更苛克的条件，因此可以说，原来只有熵增存在的片面看法是经典理论 遗漏了以力场为动力的能量最小原理这个重要因素。找回这个因素将在“更好的三位循环” 得到体验。如果没有力场存在，原子核无法组成，元素更无法诞生，一切也无从谈起。如果说 这个时候熵增律主宰，那我们并不反对。3. 3、强力场改变自由度诞生结构热由“内能”的定义告诉我们，内能是分子总数与每个分子平均动能的乘积，E = Nek 即E = iv RT/2而熵值决定于S = Q/T，把Q = ST 代入前一式子得ST = ν RT i/2即S =i ν R/2因为ν R/2为常数，也就是说熵S直接随自由度i的增减而增减。这很容易理 解，正如教课书解释自由膨胀的熵增一样，自由度的增加直接提供了紊乱的更大可能，所以
14i变大发生熵增。而i变小能发生熵减——这就提供了负熵诞生的可能。这使我们能得到 在Q不变的孤系中，因i变小(S变小)而T升的结果，这温升既不来自作功、又不来自热传 导，而是仅仅因为自由度变小而升温，是结构热。这在自然界中是可以观察到的，大雾变雨 的时候能清晰观察到相变放热这一自发升温的现象。这现象在热泵的冷凝器放热中被成功 复制，以至热泵在热端放出的热量高于压缩机作功放出的焦耳热的几倍。这在前面启示中 已经阐明，他应该是获取热能的最佳方法。只是热泵的机理是外力促成，由外界提供变化的 条件，而大自然的成雨过程是靠自然界的自行耦合，但机理却是一样的。从根本上说结构变 化引起的熵变都是各层次的力场所引起，是力场增强或减弱到一定程度，才出现自由度的 突变。温熵图(图9)中abc d与a b’ c’ d’是二块面积相等的A态和B态，也就是说A、 B两态所含热量相等，温度分别为T1和T2。由B态变成A态是正熵过程(S1至S2)由A态 变成B态则是负熵过程，熵S2变成S1、温度就可以从T1上升到T2，S2变成S1是熵减过程，是 热二律所不能允许的，但却在自由度变化的这个条件下出现了。这也不难理解，热能的量不 变，平均分配的单位却少了，每个单位就能多分，动能多了，温度也就高了。这是既不靠热传 导从温度高处传来，也不靠作功，是靠自由度变化来而获得热能的好办法。在雷电的形成过 程中，也有类似这温升的现象——产生电势上升的现象。T - E/i式子与电学公式U oc q/ c有可以类比的逻辑结构。雷电在形成的时候各带电云块并作一统时云层表面积反而相对 缩小而电容变小。一旦大雨离云而降，电容量C再降，云层的电势U就会因此而激增，引成 几十万伏的高压电，诞生电势差异的过程，与气体液化时升温是同一个机理——由结构变 化产生的负熵过程，电容和自由度的变化起的作用相同。这就是说自然界中产生势差、梯度 不需要第一推动力。结构热，包括各层次粒子回到最为稳定的结构时放出热量是各层次供 热的重要来源。3. 4力场带来位能的概念，应恢复克劳休斯对第一定律的首次表述，即dQ = dH+dJ+dff1850年，28岁的克劳休斯在获得哲学博士后的第三年，发表了“论热的动力和能 由此推出的热学理论的普遍规律”一文，论文认为传给物体的热量，增量dQ等于物体中热量 的变化dH、内功的变化dj和外功的变化dW即dQ = dH+dJ+dff他把H理解为物体中粒子的动能，由温度决定，内功J是由分子的结构所决定的状 态函数，但由于不知道内功J的确切表示，所以又引入一个新的物理量U来表示H和J的和， 从而把能量守恒定律写成热力学第一定律的形式dQ = dU+dW —年后开尔文称U为内能。克劳休斯关于第一定律的最初表述，反而是正确的。到现在我们才知道，能量的形 式从现象上分可以是电能、光能、化学能、机械能、原子能和热能。而从本质上分，能量的转 化分2个方面。爱因斯坦的质能公式E = mc2反映了质量和能量的关系。而克劳休斯最初 的表述dQ = dH+dJ+dW则反映了不涉及“质量亏损”时功、热和结构(位能)三者之间的关 系，也就是说在等式左边dQ不变的孤系中，能量转换的本质是等式右边的无序，以及结构 有序、运动有序之间的变化进行，可以有一个“广义的热力学”a由于短程核力非常强大，是万有引力的IO39倍。所以不管裂变还是聚变都能由 结构变化释放非常大的能量。b电子在原子中能级的跃迁，吸收或放出相应的电磁波，其可见部分被称为光能。，吸收或放出的热量就是人们所说的化学能，燃烧只是其 中一种形式而已。d分子层面的结晶、融解、液化、气化，人们称为相变，也因为结构变化而放出或吸 收热量。上述四项揭示了结构与能量的关系。经典理论仅仅只研究C中结构放热(燃烧) 转化为功这一有限部分。而原来用“逆卡诺循环”解释的热泵不过是由相变吸收或放出热 量的低数量级的能量转换。有序可以是粒子有着同方向的运动，也可以是稳定的结构，二者都是熵为零。而无 序则是失去了同一方向的紊乱热运动。当dQ = 0即在孤立系统中，dH、dj、dW三者之间的 转换概括了所有能量转换的本质。由于稳定的结构熵是零，走向稳定的结构也就成了负熵 的过程，这一过程往往给我们带来大量热能(放出)，就是我们常说的“能源”，强度依次为 核、原子、分子的结构变化。如果出现负熵的同时，表现为吸收热量，并把它藏于结构的“更 高能级”中，那只有负温度现象和植物的光合作用等生命现象中存在，(植物可以把能量存 入结构，再由动物把植物中的结构能变为动能)。这样让我们找回了一个被克氏简化掉的负 熵诞生的可能。不管是熵增还是熵减都应该真实的描写。因此我们认为应该恢复克氏对第 一定律的最初描述。3. 5力场带来了 “负温度”现象，开论从此终结负温度现象的出现，按某些学者的说法是“由于开尔文温度有不完善的地方[ffi25] 我们认为尚不尽然。“负温度”的命名的确有悖常理，因为谁都知道温度是分子紊乱热运动 的平均动能的量度，成为负值很难理解，再说“负温度”比正温度更高，就有颠倒之感，但名 称毕竟只是一个符号，是记忆库里提存的编号。命名的权利常常授予发现者。我们无意一 定要改变这个称呼，只是探索一下它的由来，是否有更贴切的表达。负温度是这样推得的根据热力学基本方程，系统的温度T与参量y保持不变时熵 随内能的变化率(3S/3U),之间存在以下关系1/T= (5S/5U),在一般系统中内能越高 时，系统可能的微观状态数也愈多，即熵随内能单调增加，因此温度恒正。但也有一些系统， 当系统内能增加时熵反而减少，这就使温度推出负号来，系统被称为处于“负温度”状态，究 其原因我们觉得这与3. 4中所说的第一定律中能量形式不含dj有关，即基本方程中不反映 力场和势能这个事实有关。负温度现象中内能的增加是通过力场的增加而获得的，增强的 是粒子在力场中的势能。如果基本方程中加进了 dj就能客观真实的反映事物的变化，承认 增加的不是dH而是dJ，dj增加时熵减少了。这样当力场反转时，反映势能的dj应有符号 来表达，以至T就不必要再带负了。让真理不再别扭，不是更好？负熵现象在负温度中被确认，此现象佐证了我们前面所阐述的力场变化能带来负 熵的观点，在负温度诞生的瞬间，出现“热比功贵”的现象很好解释。图10中负温度从c开 始，这时晶体进入反向磁场中。由于力场反转，原来平行的成了反平行，原来反平行的倒成 了平行，因而有了 N2 N1 (根据玻尔兹曼分布N2M = e-2uoB/KT当N2 N1即是系统处在负温 度之下)，我们看到，置入反向磁场的晶体面对磁场反向不断增强的过程。每一粒子的运动 只有一个方向可行，不管粒子原来向什么方向的运动，在这个时刻都要统一方向，(时间虽 短但也是一“劫”)也就是说这一刻紊乱的运动反而成为不可能，同一方向的运动成为唯一 可能。这就是热比功更珍贵的微观解释，力场让所有粒子方向一致，使原来的dH加入了有 序的行列，这就是当年恩格斯预言的能量集中的形式。所有方向异动的热能被集中成为同
16一个方向的运动。这实在是个好办法，比用汽缸获得一致好许多，因为它做到了所有粒子同 时一致的结果，负温度出现颠覆开氏表述的理由就在这里。这是十分宝贵的一刻，因为如不 把它“有效截获”，一俟力场变化结束，就复归紊乱了。一个可以获得功的机会就要失之交臂 了，原本可以得到功的一瞬间只能得到高温了，目前我们仅在激光中利用了这个粒子反转 的现象，实践走到了理论的前面，我们既有重塑理论的紧迫性，更有列项研究这“能量集中” 的紧迫性，因为他与成功只差一步之遥。负温度在力场反转后被认为温度是无穷大，我们认为其原因是力场反转的时间很 短，因为功率是与时间成反比，时间越短，功率就越大，任何加热方法，都因为有一个驰豫时 间的牵制都不如力场反转那样快，力场让每个粒子接到命令，各自走到不可再高的结构高 位(即所谓能级有限)，然后瞬即反转，各粒子又要第二次“迁徙”，行动又是高度一致的，由 于没有有效截获，所以只能以热的形式把力场赶它上高位后的dj、反转后让它加速的dw、 以及它原来拥有的dH全部在瞬间变热了(在某种意义上可以称爆炸)，这就得到一个非常 高的温度了。这样一个囊括粒子所有能量瞬时变热的过程，可以说是一个无与伦比的制热过 程，热泵技术根本无法望其项背。原因有二，第一、在热功转换中的时间因为与功率有关，所 以显得非常重要，驰豫时间要尽量缩短，而力场的倒置是可以达到这个要求。第二、拥有二 次有序的负温度模式应该是逆卡诺循环所无法比拟的废热制热的最佳模式。这就是我们认 为^无中取热尚有比热泵更好的办法获得更高的温度的理由。3. 6状态规律的多元化，使正熵、负熵皆有可能综上所说，既然熵增律不是大自然的唯一状态规律，那么其他状态规律中走向各 自劫底的时候，如果粒子的运动出现了短暂的有序状态，用熵的标准来衡量就是负熵的诞 生了，只要有效截获，由此可能带来“功”，这是其一。走向结构有序，熵为零，放出大量热， 这是其二。这二项的共同点——都少不了负流流，即要有操控者，从控制论知道，操控指令 有2个来源，一个是系统外，当人们了解到信息的传递必须由能量做载体时，出现了布里渊 驱赶了 “麦克斯韦妖”的结论，其实指令还可以来自系统内，即运动本身给下一个运动发指 令——正反馈。在孤立系统中，只要有负熵流这根“最后的火柴”，就能点燃起有有序的希 望，如果孤立系统中除了熵极大之外一无所有，那作为已热寂的孤系也不是必须批判的。因 为客观存在不是以人的意志为转移的，热寂就热寂吧，这一“孤系”也许要过很漫长的“劫”， 象一千零一夜中被封入邮瓶的魔鬼那样，等待外界的开启——负熵流的介入。人不过是宇宙中一种十分脆弱的存在。但尽管人的存在十分脆弱，人脑的进化却 是大自然进化的一部分，是宇宙发展的最新成果，是代表着宇宙的方向——他能感悟规律 并予以模仿。我们不妨再感悟一下大自然。由分布作“动力”的不可逆过程，一个是大家熟悉的熵增，另一个就是速率分布以 麦克斯韦曲线为终点的不可逆过程，由曲线作为一个过程的劫底，在走向这个劫底的时候 诞生差异。如果说熵增是大自然走向平衡、走向差别消失的过程，那麦克斯韦曲线就是用分 子的速度永远保持有规律的不相等，来表达大自然永不平衡的意志。分布和状态不是同一概念，但一个分布相对应的微观状态都近似的等于定域系统 的微观状态数除以N ！。麦克斯韦速率分布曲线)表达了分子速率分布永远呈钟 形曲线，即中间处于最可几状态的比例最大，曲线的左右二脚分别表示速率低和高的比例。如果因为蒸发而让右脚处的高速分子大量减少，那整个曲线会因降温而向左移，但可贵的 是麦氏钟形曲线仍是新的分布所追求的目标，即使降至T2，右脚仍伸到竖线影形处，也就是 说又有高速分子诞生了，如果把这种高速分子的速度看作另一温度的最可几速率那这自发 选出高速分子的过程不就是走向‘高温’的过程？高速分子既不是加热而得，也不是作功而 得，仅因为状态要走向某个平衡态而得到，与熵增一样，是以分布为动力的不可逆过程，这 样，江河湖海的蒸发就犹如一只永不停歇的自发加热的汽化锅炉！由处于“死态”的废热 支撑着！又因为江河湖海所含废热多得很，书称如果可能，降低1度就能开动全世界机器 1700多年，所以曲线左移很少很少，又因为大气不断地有废热补充，所以这样的自发选拔高 速分子的模式永无穷尽，在这里我们看到了 “热量不可能从温度低处自发走向高温处”，只 是指单一过程，是循环中的一段，循环是由不可逆过程连接而成，它们首尾相接，都在各自 走向各自标准的平衡劫底，从而构成循环，也不断创造差异。以至当我们最后清算水力发电 的能量来自何处时，将有一个清晰的数据反映有多少是来自江河湖海的内能所得。又有多 少水分子进入大气后，继续靠大气内能抬升，以每升高100米降低1度的代价进入高空，直 至温度降至临界点，水分子互相吸引超过了互相排斥，结成水珠从高空降下来。我们看到诞 生差异的负熵要成为连续过程，必须进入循环，如果没有地球引力无法从另一个途径返回 (下雨)过程又不能持续。大自然自发走向永不平衡的麦氏曲线与走向平衡的熵增律作为矛盾的双方，再一 次佐证了二者既相互对立，又相互依存的普遍规律，走向“麦氏曲线”的普遍适用性一点也 不亚于最小能规律和熵增律，在白蚁世界、人类社会都有它主导的案例[ffi26]。由“差异制造者”——大海的蒸发，让洋面充满水气，混沌理论告诉我们只要一个 小小的诱因——蝴蝶效应就可能制造出旋转涡流，加强这涡流的可以是科里奥利力，这从 台风的旋向得到证明。另一个力就是从“涡流致冷”这致冷机制中得到注27，爱因斯坦 的等价原理告诉我们所有物理定律在自由空间作勻速直线运动的惯性系中的形式，与在 引力场中作自由降落的局域惯性系中的形式完全相同，在旋转的台风中，水分子相当于在 一个引力场中，向其他各个方向的运动都受阻，唯有旋转向的运动受到鼓励，使水分子一面 在旋转中交出自己动能，加强了台风，另一方面又作为“负熵流”胁迫新参加进这潮流的水 分子与其统一方向——交出动能。正是这个正反馈使台风不断壮大直到摧枯拉朽——拥有 十几个氢弹能量的来源，直到把万亿吨淡水扔到大陆，最后因没有了后续水蒸气而终止。我 们看到了大自然是如何“自组织”，通过自己当负熵流的正反馈，获得负熵、获得功的。我们 完全可以仿效大自然的“自行耦合”，设计一个“三维循环”。4、更好的三维循环4. 1可以在严格的孤立系统中演绎违背开氏表述的三维循环前面探讨了负熵诞生的可能，取得如下共识负熵需在负熵流的情况下诞生。这又 有二个观点a当负熵流的绝对值大于熵产生才获得负熵——这是耗论观点。这是靠负熵 流来对消熵产生而得到。b依靠负熵流带来的负熵超过熵产生就有纯负熵的结果。这是整 个第三部分“熵可正负”的主题。根据b的观念设计了三维循环(图12)，ab、bc与卡诺同， 卡诺的cd过程被取消换上因力场的增加而出现负熵的曲线cd，截获负熵可以得功，让这份 外界的投入在de的升温中归还，可获得热能。4. 1. 1有负熵流参与的热机
下面让我们看一看有负熵流进入热机的运行会有什么结果。图13中，①循环从等温线上某一点a开始，工质吸收热源热量沿ab线作等温膨 胀，到达与外界大气压平衡的b点，热机对外作净功为abo’ 一块。②由外界作功，拉着活塞继续向右，外界克服大气压作功，体积从b点到ο点，工质 作绝热膨胀到达C点，外界作功boc —块。③放开活塞，因为c是等温线节分析，ab过程是对大气的 非平衡定态作了小小的扰动。它会在大气压压力下回到非平衡定点d点，气缸内外压差作 功OCd —块，减去②中外界作功boc —块，得净功bed —块。④由d点绝热压缩，外界作功dao’ 一块，此外界作功可在①热机作功的abo’ 一块 中消去，使①净得abd —块，abd+bed正好是一块完整的“平行四边行”但却没有cd的外界 作功过程，也没有把热量抛向“无限大冷源”的过程，是诞生在孤立系统里的结论。夹在二 等温线之间的热量全部转变成了功(Q = CmAT)不过，这与卡诺热机的模式完全不一样，只 是完成了卡诺的愿望，我们是依靠负熵过程cd来消除工质因膨胀而带来的熵增，才得到此 结果的。4. 1.2单一热源的热机经典理论称如果有超过卡诺热机的效率，必然可以引出单一热源作功的过程，的 确如此，请看图14的过程。为了更清晰地说明问题，我们把上述循环简化①过程从常温等温线的交点b开始，外界作功boc —块工质从 b绝热膨胀到c②工质沿T2等温线回到d，气缸与大气压之间的压差作功ocd —块，减去boc—— 外界在①中作功的一块剩bed —块③工质吸收大气废热由d升温至b，循环再由b开始。整个过程出现了“单一热源” 作功的结果，bed面积虽小但意义重大，它将让我们重新认识热功转换规律4. 2热功转换的本质和规律卡诺时代产生错误源于对热功转换的本质理解有误。①卡诺把热功转换看作“热 质降落”与热功转换是无序向有序转换的观点有着本质区别，至于不生不灭的热质说甚至 与第一定律都是对立的，由这样的认识作基础怎么能得到真正的热功转换规律呢？他的结 论是与当时尚没有确立分子运动论，没有熵概念的认识水平相对应的。②卡诺热机着眼点 是容积改变的膨胀作功，而膨胀少不了让工质熵增，用外界作功压缩工质的办法，虽然得到 了体积缩小的结果。但功变成了热，反而增加了熵值，热量转化为功的比例就小了，与获得 有序并转化为机械能的热机目的是南辕北辙之事，怎么能得到最高效率呢？热功转换的本质是分子运动出现一致时，及时截获这有序成为机械功。是一个紊 乱走向有序，有序被截获的过程。有序是首要条件，截获是必要过程。风是一种空气的有序 运动，如果没有风车去截获很快回归无序；江河流向大海无疑是有序但没有水轮机组，就谈 不上发电。就是变压器中的涡流，也是因为没有截获而成浪费。用这个观点来看卡诺热机， 首先该热机是依靠温差来诞生有序的——用气缸限制了其他方向的膨胀，仅留下活塞方向 可以膨胀而得到有序，由活塞接受工质分子的撞击来截获有序，这就出现了 2个问题1，有 序是否必须从膨胀得到，膨胀除了加热是否还存在其他办法，回答是通向有序不仅仅是膨胀；膨胀尚可以由力场的变化得到。2由紊乱转向有序，紊乱的热能是否必须来自高温，回 答也是否定的，紊乱转为有序，并不要求紊乱的热能必须来自高温，因为有序源于势差，而 势差不一定仅仅是温差，这样开氏表述对单一热源作功的否定就站不住了。如果把紊乱的 烈度称温度，那么紊乱的程度就是熵值。热功转换的本质就变乱为治，改变的只是粒子运动 的方向，只有这一致被传递出去——被截获，成机械功，才会降温，因为由紊乱转为有序，熵 值必定降低，但热量来自何处却无要求，这就使废热为源作功成为可能。我们借用耗散理论中的“负熵流”这一名词，把能带来负熵过程的能流(有序运 动)称为负熵流，按照这个定义，那个拉着活塞向右的过程就是负熵流，图13图14中的bo 就是负熵流，在热泵中就是压缩机拉着蒸发的过程，活塞在被迫向右移动时，凡向右运动的 分子，在撞击活塞时都把这一方向的动能交给了它，这与洋面上的水气分子把动能交给旋 转的台风一样，只是台风的“负熵流”就是不断扩大的气旋。活塞在抵抗大气压的过程中， 工质因贡献了内能而降低温度达到c点，整个大气被bo过程扩大了一点点体积，受到“小小 的扰动”正如前面分析所说，整体看大气要回到它原来的“非平衡定态”，由于温度已从b降 到c，所以局部看就是工质被大气压压着从c沿等温线回到d。在到d点的过程中，我们可 以得到因为活塞内外压差所带来的功bed。最后，在取之不尽的大气废热中吸热，而回到b 点。面积bed很小，但意义重大，如果我们认定卡诺理论对热功转换的本质认识有误，那么 接受这个新结论应该不具心理障碍。教科书的开氏表述是这样表达的“不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功， 而不引起其他变化”在接着解释“不可能”时是这样说的“不可能不仅是指，在不引起其他 变化的条件下直接从单一热源吸热而将之完全变成有用的功，而且是指，不论用任何曲折 复杂的方法，在全部过程终了时，其最终的唯一效果是从单一热源吸热而将之完全变成有
用的功” [ffi28]该解释的第一个不可能，可以理解为紊乱不会自发有序。后一个“而且是指”就属 于真理多走了一步，既违背了相生相克这一矛盾法则，也是带来热寂说的直接原因，是不正 确的。正如许多先贤哲人所说的那样，矛盾的一方失去了与之矛盾的另一方，其本身也就无 法存在，因为循环无法构成，他自己的行动也就无以为继了。有了上述论证，热功转换的效率问题不再是问题，η ( 1是孤系的结论，其中等于 号是指“全部过程终了时”一即有负熵流存在的非单一过程。其他单一过程为小于号，从 此它与第一定律的潜在矛盾并不再存在。负熵流仅起“催化剂”的作用，过程结束时它无一 损耗，起到条件的作用，唯一的作用是促使热向功转换，这也是大自然中有序可以成为负熵 流，“自行耦合”而不断诞生新的有序的原因。负熵流除带来负熵之外，其他什么都没有发 生，我们与耗散结构理论不同之处在于不指望ds = diS+deS式中靠IdeS I diS才得到ds 变负，也就是说，不是靠外界提供的负熵流大于熵产生——靠对消而获得负熵，而是把deS 看作条件，在这个条件下发生diS的熵产生为负值的过程。负熵是宇宙中客观存在的一种 过程，与正熵一样需要在一定的条件下出现，而“一定条件”在印度哲学中称因和缘，因是主 要条件，缘是次要条件，“因缘”可以是自然界的耦合，也可以是人工设计。从麦克斯韦妖的假设开始，小妖一直让热二律难堪。信息论确立后因为信息的传 递必须由能量支撑，大家又似乎驱逐了小妖。错误发生在布里渊，他把香农之熵与热力学之 熵混同在一起。香农在为“不定性”起名时，曾与约翰·冯·诺伊曼讨论过，诺伊曼说“你应
20当称它为熵，这有二个理由第一你的不定性函数，在统计力学中已经用在熵的下面，因此 他本来就有这个名称，第二、而且是更重要的一点，谁也不懂熵是什么，因此在争论时对你 有利”。[ffi29]所以可以说“香农的信息熵完全不同于热力学熵，它同样是概率函数，这与能 量、温度都无关，香农的熵是一个无量纲的量，布里渊将香农熵与热力学熵进行换算是一个 明显的错误”。[ffi3(1]让小妖点灯照亮分子并去抓捕“快速分子”其实是对大思想家麦克斯 韦的假设理解有误，“小妖”之说是他对热二律总体持怀疑的思想。从控制论知导“抓捕”只 是控制的一种形式，完全可以设计好程序让其自行分离，我们说有序诞生于单向阀和自循 环，其中单向阀是指广义的改变方向的程序设置，自循环则是这一过程的终点，搭上了另一 个过程的始点，互为始末的循环过程。而正反馈是让这一程序连续的机制之一。运动继续 的指令来自上一运动本身的，就是正反馈，正反馈发展到顶点而结束。不管是在空中运送淡水的台风，还是被称为负温度现象的激光过程，都有一个共 同点——正反馈。即某一方向的运动不断的得到加强，其他方向的运动，则受到抑制。台风 形成的过程中，水分子唯一可行动的方向是顺着旋转方向运动，其他方向一律受阻。同样， 激光的形成过程告诉我们，光学谐振腔中某一方向的受激辐射能够不断得到加强，而其他 方向的受到抑制，这2个例子让我们悟得一个道理，有序的获得需要条件，但不需要能耗。我们知道，在机械运动中改变某物的运动方向需要外力，但不消耗外力的“量”，改 变者与被改变者运动的量，在矢量和中保存着(保守力英文有“保存”的意思)。被绳子系 住的小石子，绕着绳子的另一端为圆心的圆周运动，小石子每时每刻都在改变运动方向，但 绳子却并不作功。就这个意义上说改变运动方向不需要能耗。另一个例子是洛仑兹力，它是 涉及粒子的状态规律，洛仑兹力既和磁场方向垂直，又和带电粒子的速度方向垂直，所以对 粒子作功为零，带电粒子的速率和动能均无变化，只是方向有变化。所以改变运动的方向， 负熵流是必要的前提。但它不消耗能量，这等于找到了麦克斯韦妖，也找到了恩克斯的“能 量集中”的方法。正如一个哲人所说“真理其实是简单而美丽的”，清扫理论障碍后接着的问题就是 设计方案了。1、严济慈《热力学第一和第二定律》2、恩格斯《自然辩证法》3、郑宏飞《烦一种新的方法论》P2北京理工大学出版社20044、朱明善等《热力学分析》P115高等教育出版社1992版5、何美芸“绿色能源2050前100%可再生能源是能达到的”摘自《世界环境》2009 第6期6、许志治“废热制热将成为新的产业”摘自《高科技与产业化》2007. 27、朱明善等《热力学分析》P76高等教育出版社1992版8、《普利高津与耗散结构理论》一书序言9、《普利高津与耗散结构理论》一书序言10、朱明善等《热力学分析》P82高等教育出版社1992版11、熊吟涛《热力学》P67高等教育出版社1961版12、熊吟涛《热力学》P63高等教育出版社1961版13、张三惠、沈慧君编，分子物理学也热力学P114
14、人民大学哲学系《形式逻辑》P19415、见各类热力学教科书16、中国光明日报2004. 12. 30无偏二极管的实验报道17、“劫”是印度佛学的时间概念，每一劫都有生成、稳定、毁坏、消亡四个阶段组 成。他比均分地球自转的时间概念更为科学1与驰豫时间一样，各过程长短不一 2、都有四 个阶段的完整性，概括了所有走向劫底运动的共性3启动后不可逆转的必然性。18、胡家聪“熵概念渊源初探”P177摘自王福山主编《近代物理学史研究》19、胡家聪“熵概念渊源初探”P177摘自王福山主编《近代物理学史研究》20、严济慈《热力学第一和第二定律》P221、对“热寂”的批判有著名的“宇宙无限说” “起伏说”等多种，但皆牵强附会，因 熵是广延量既然可以证明孤立系统有热寂的可能，那一个一个孤立系统相连不仍是熵相加 吗？所以没有负熵的制约，热死不可避免，最彻底的批判就应该是有负熵参与的“非开”过 程。即耗散结构理论向前跨一步。22、胡家聪“熵概念渊源初探”P177摘自王福山主编《近代物理学史研究》23、胡家聪“熵概念渊源初探” P177摘自王福山主编《近代物理学史研究》24、朱明善等《热力学分析》P86高等教育出版社1992版25、朱明善等《热力学分析》P37926、白蚁中的“懒惰者”有一定比例，必须原懒惰者死亡，方能按照钟形曲线补充。 人类社会的贫富也按此曲线、陈光明、陈国邦编，制冷与低温原理P3228、汪志诚《热力学·统计物理》P4029、美·迈伦·特赖布斯等《能量和信息》摘译74. 2期P830、《21世纪科学·探索·实验文库》“熵的故事” P925、能量集中的方案本发明提供一种方法，它能让空气、地表水(江河湖海)、地源热等已沦为优的 废热成为可再生能源，其特征是1、由空气等废热为热源，工质吸收该废热，在线、工质染上电荷服从电场变化的指令将无序转为有序；3、由电磁感应，在次级获得感应电流。
图2、3、4图2中真实气体压缩成液过程比理想气体反而少作功ba’a，原因是线中有一 ba过程，即靠分子间引力凝结成液滴，而分子间产生引力的距离在图4中可 以看到YcrYjh时最大)这就是理想过程失去效率之最的原因。
图5大自然中循环是由不可逆过程首尾相接而构成，abc过程不可能由cba回去，而必 须是另一动力的不可逆过程cda回去。
图6表示自从“耗散结构”理论确立后，可以有一个负熵过程X存在，其中A为不可逆 规律B为熵增率，C为克氏表述D为运动有序F为结构有序。 图7为卡诺循环的示意图
22图8为等温线为负熵图，A与B所含热量相等，但温度不同，A向B变是负熵过程，B向A正熵过
图11为麦克斯韦钟型曲线但在高速分子诞生的阴影处，T2的“脚” 仍然伸到，也就是说高速分子仍诞生。 图12三位循环示意图 图13由负熵流加入的循环 图14由负熵流加入的循环简化图
ab、bc两过程是等温膨胀和绝热膨胀，cd过程是负熵过程， 该过程在力场的变化下诞生，de过程回到原点。
图16由三维循环带来有序能的原理图甲实验图乙 图17由三维循环带来有热能的原理图甲实验图乙五、实施举例图16乙1是附有翅片的铜管，铜管中间走冷媒，铜管靠翅片吸热，2是冷媒加电室 在这里由2. 1供给电荷，经3膨胀，到4冷凝成液体，图中6是电源使冷凝加速也让膨胀气 体经3的时候应带电而成为初级电流，电磁感应使AB处输出电流。图17乙稍有不同，4. 1内有接受热量的液体流动，接受由冷媒送来的热量。
权利要求本发明提供一种方法，它能让空气、地表水(江河湖海)、地源热等已沦为的废热成为可再生能源，其特征是1、由空气等废热为热源，工质吸收该废热，在线、工质染上电荷服从电场变化的指令将无序转为有序；3、由电磁感应，在次级获得感应电流。FSA11.tif
全文摘要本发明提供从空气等废热中获取再生能源的方法。发明从热泵富集“”中热满足人们热需求谈起，认为热泵的实际效果已超出逆卡诺循环，因此改进后的热泵可以获取高温后成为未来可再生能源的主角，为此发明人首先从热力学经典理论的缺陷谈起使其接纳耗散结构的负熵理论，再用负熵过程取代卡诺的等温压缩，从而得到效率更高的三维循环，在理论更迭的基础上提出了场变作功的方案，使空气等废热成为可再生能源。开云体育 开云官网开云体育 开云官网