“热”能发电,“冷”为什么不能发电?有没有科学家研究?

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所属分类:浩瀚星途
摘要

这个问题提的非常好,从第一次工业革命,人类掌握了热能的利用,以后,就没有人在关注冷的利用,其实啊!冷也是一种能量,可以起个名字叫冷能量,从牛顿定理,到热力学的各种定律,已经运用了两三百年的时间,直到目前基本上到了顶峰,但是,冷能量,很少有可以想象关注,因为它与热能量相

这个问题提的非常好,从第一次工业革命,人类掌握了热能的利用,以后,就没有人在关注冷的利用,其实啊!冷也是一种能量,可以起个名字叫冷能量,从牛顿定理,到热力学的各种定律,已经运用了两三百年的时间,直到目前基本上到了顶峰,但是,冷能量,很少有可以想象关注,因为它与热能量相比,理论性,和利用,复杂很多,人类还没有发现它的规律,和起源,地球南极北极的冷能源,和宇宙中的冷能源,是不是在宇宙力学和地球力学理论之中?没有哪个科学家来分析这个问题,目前很多人提到的温差发电,也就是半导体温差,发电,其实她还是一个,热能量发电,热和冷的温差越大,这块半导体的电流就越大,应该给冷,没有太大的直接的,理论关系,因为没有热,它就不会产生电流,目前与冷能量有关系的,这是其一,随着人类的科技发展的,探索和发型,冷能量,或者是说冷能源,会得到充分的利用,到那时,可能又是一次技术和工艺的革命

热胀冷缩是一切物质的原理。

冷能使物体缩小,内部电子运动减慢,而热正好相反。

目前世界上所有的发电厂都是以物体的热运动,膨胀产生动力发电的。

比如火力发电,把水烧热后产生蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的。核电也是如。

一切物质都会遇热膨胀。

热胀的道理是什么呢?

热胀后的物质内部会产生极速运动。电子的自转速度加快,轨道圆周面积加大,由于旋转产生的离心力,而许多物质单元互相远离,占据了空间许多的面积,这就是膨胀。

在一个面积有限的空间,迅速占据很大的面积,而挤压空间就会使四周产生压力,而推动活塞运动。

一个物体在常温下不导电,加热到一定的温度后它就能够导电。

我们常用的燃气热水器安全系统,就是利用火焰导电这个原理,热运动会产生自由电子,自由电子是物体能够导电的基础。

冷能不能发电呢?

冷能够产生动力,冷就能发电。

目前还是用热量产生动力发电的。

一块冰,达到更低的温度就会裂开,而变成雪花。这就是冷的力量,如果人类能够利用冷产生动力,那么冷就能作为动力发电了。

很多人对科学还是沉浸在自我幻想之中。发电的原理无非是基于热力学第一和第二定律,电能由其他能量转换而来。针对本问题,电能是由热能转换而来。那么热能是什么?冷的物体有没有热能?

1、热力学基本定律

发电遵循着热力学第一定律和第二定律。电能是由其他能量转化而来,不会无缘无故的多出来电能。并且,这种能量的自发转化存在着方向性,否则就必须依靠外部干涉,由此能量的转化存在着效率的问题。大多数情况下,能量的转化效率都非常低,50%已经算是非常高的一个效率了。

2、热电厂的发电原理

我们先来看下热电厂的发电原理。煤之类的可燃烧物进入燃烧的锅炉后,释放出热量,用来加热管道内的工质(俗话就是水),管道内的工质被加热后获得能量,从而将燃烧物里的能量携带出来,液态水变成气态,推动叶轮机旋转,这样热能就变成了叶轮机旋转的机械能。叶轮机的旋转再通过电磁感应技术,转化成电能。

从这个过程可知,燃料的燃烧能,需要经过工质的中间过程,再经过机械能的转化,最后才能变成电能。这之间,热量的耗散,机械结构的摩擦,等等,都存在着能量的损失。所以,热电厂的发电效率非常低,大概是30%-40%。

3、热机的工作原理

热机的工作原理,虽然两者都是燃烧,其实与热电厂不一样。热机并未用到工质,所以少了一个能量的传递环节,相对来讲效率会高一些。如下图,燃料燃烧爆炸后,推动活塞,从而将热能直接转化为机械能

这种热机,通常就是对外做功的,比如汽车的发动机。还有一部分能量会存储起来,以电能的形式,存储在蓄电池内。这部分的原理依然是电磁感应,机械能转化为电能。

4、理论分析——冷热环境才能热能的输出

虽然,上面两个例子,都介绍了燃料的燃烧,从而获取热能。但是,燃烧仅仅是第一步。光燃烧,是无法获得电能的,必须依靠机械能的转化。聪明的同学一定也发现了上面两个例子的共同点:1)是个系统,分多个阶段,缺一不可。2)都处于一个工作环境之中。3)整个过程是一个循环。

针对本问题,第二点就显得非常重要。整个系统都处于一个工质环境之中,这个工作环境温度肯定是低于燃烧后的温度的。这就表明,热量的获取并转化为电能,必须有高温和低温两个环境。这其实也是热力学第二定律所决定的,单纯的从一个热源获得能量的热机并不存在

5、总结

我想我已经回答了题主的问题。热发电、冷发电,其实是俗语。热机发电依靠的是冷热两个热源,热机从高温热源获取热量,并转化为机械能,剩余能量排放到低温热源环境中。光靠热或冷,是无法发电的。

要回答这个问题,得首先明白发电的基本原理。

发电就是利用相应的发电设备,也就是发电机,将其它形式的能源转换为电能的过程。这个其它形式的能源,主要包括太阳能、风能、水能、热能、核能等,先利用机械驱动转化为机械能,然后传递给发电设备,由发点设备再转化为电能,实现发电的功能。

世界上的任何能源利用形式,都是通过能量差来实现的,发电也是一样,其它能源转化为电能,那么其它能源就要被消耗,因此利用的就是被消耗的那部分,比如风能差、水流势能差、温度差、原子核能差等,没有能量差的变化,是没有办法转换能量的。

利用温度差来发电是目前应用较多的能源转换方式,比如燃煤发电,先将化学能转换为热能,利用输出的热能,把水转化为水蒸气,推动发电机的机械装置进行机械运动,进而推动发电机的磁力线发电,其中热能推动水变为水蒸气,所需的能量来源于燃煤前后的温度变化。

“热”和“冷”是人们衡量物体温度直观感受的表述名词,而在热力学中只有“热”的概念,而没有“冷”的概念。只要是处在绝对温度以上的物质,本身都具有热能,温度越高,组成物质的微观粒子运动越剧烈。同样,微观粒子运动越剧烈,对外表现出温度就越高,理论上可以创造温差的潜力就越大,对外可以输出的热能就越多,发电效率越高。

因此,应用“冷”来发电,原理也是一样,必须要有温度差,但与“热”发电对比,必须要有额外的能量输入,使“冷”变“热”,发电的条件要更加苛刻,效率较低。

(图片来源网络,侵删)

“冷”发电的流程如下:将容器中的冷凝剂冷却液化,冷凝剂体积缩小带动活塞运动做功;再将冷凝剂放入室温吸热汽化膨胀,带动活塞反向运动做功。一直重复这个过程就可以让活塞持续运动做功,做的功可以发电也可以做别的。

实际上,热和冷都不能发电,发电靠的是温差。冷和热的温差相反,只是在做功的过程中某些动作正好相反而已。其实推广开来,能量是守恒的,不能被创造,能不能发电,主要是看能量是否可用。

通常只要有物理量差,物质所携带的能量就是可用的,比如温度差、压力差、电势差、高度差。最简单的是高度差,青藏高原的水不能在青藏高原发电,但是流到低海拔后,有了高度差就可以发电。

能量与可利用的能量之间的差别在生活中也会经常遇到:比如电能可以100%的转化为功或者热能,但是热能不能100%的转化成功或者电能。

再举一例,一吨300℃的过热水蒸气和两吨150℃的过热水蒸气,相对于0℃而言,它们的热量是相等的。但是都在0℃的环境下,300℃的水蒸气可以发的电更多。这可以概括为:温度越高,热量的“质量”越高,也就是其中可利用能量所占的比例越大。

“冷”是可以发电的!而且冷的品位是比热的更高!热力学上有热?和冷?的概念,就是热量和冷量的最大可用能。显然,理论上冷能和热能一样,是完全可以发电的。

实际应用上,就有LNG(液态天然气)冷能利用发电的技术。其实具体原理和热发电几乎完全一样,所不同的是工质的特性。其循环原理,有直接膨胀法,朗肯循环法,布雷顿循环法等。比如古老的蒸汽机,就是利用水蒸气在高温时蒸发,在低温时候冷凝的特性,形成循环。只要将水蒸气换成特性合适的工质,便可以达到膨胀做功,带动发电机。

然而,目前我们很少听说冷能发电。其中最大的原因,是大自然可以免费获取冷能的机会太少或者成本太高。热能发电可以利用免费的太阳能,可以利用廉价的化石燃料等。因此,热发电技术经过多年发展已经非常成熟,也被广为所知!

有人或许会问,南北极有大量冷能为啥不去利用呢?回答这个问题的时候,要解释下冷能热能。冷热能能量利用,是利用其温度差,而非单纯的温度。也就是说只有温差存在,才有冷热能量利用可言。假如能够把南北极的冰运到高温地区,如非洲亚洲等,那就确实可以利用其冷能发电,这是毫无疑问的!

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热不一定能发电,金星很热,500℃,一样不能发电。发电需要的是温差。

这是一个有趣的问题,虽然我在以前的文章中曾经解释过其中的原理,但是我觉得还是有必要从另一个角度来分析一下这个问题,因为其中蕴含着更深刻的,有关科学思维的事情。

天生的逻辑远不如后天培养的逻辑

首先我们要知道,为什么提问者会认为“热”与“冷”是两种元素

科学思维真的是反直觉的,我们认识世界,并在事物间建立因果关系是进化赋予的,但是这种能力并不完善,解决不了太复杂的问题。在生物行为学上有一个非常著名的实验,叫“迷信的鸽子”,美国心理学家纳金斯设置了若干个机械喂食装置,每台机器面前都守着一只希望获得食物的鸽子,这个机器的投食间隔是设定是固定的15秒(后来加到了60秒)。

实验进行了几天后后,神奇的事情发生了,这些鸽子纷纷开始做起奇怪的运作来,有的不停地点头,有的不停的跳,还有的开始疯狂地逆时针旋转。这些鸽子看起来就像是……正在执行某种奇特的宗教仪式。

这是因为生物本能地需要寻求适应环境的方法,所以在大脑中必然将“获得食物”与“自己的某种努力”联系在一起。于是因为巧合,鸽子在某个运作时出现了一次喂食,于是它尝试着重复这个动作,恰好食物再一次出现了,于是鸽子就将“获得食物”与“动作”联系在了一起。

▲实验者

鸽子将有前后时间关系的两件没有内在逻辑的事联系在了一起,其实就是迷信的本质。普通人虽然不会上这种固定时间的当,但如果将时间变成随机的,也会发生同样的事。但是如果参与实验的是科学家,那么他们就会用统计学的方法研究投食机制,最终明确“随机”的事实。也就是说,经过科学思维的锻炼的认识方法是强大而有力的,也是超越生物本能的。

提问者与多数普通人相似,其实我们的义务教育并没有将科学思维普及给大家(当然外国其实也没好多少)。所以人们常常会以自己认识世界的观念去理解世界,然后提出一些让人哭笑不得的问题,这个问题就是个典型。

冷始终在参与发电

好的,说了这么多,还是得解释一下这个问题。其实只要把理解世界的概念修正为科学的,问题也就自然解决了。首先我们得知道“热”与“冷”是一对相对的概念,二者是相对存在的,没有冷哪来的热呢?也就是说,当我们意识到“热”可以用于发电的时候,也就必然已经包含了这样一个事实——“冷”已经参与了发电。

一定的温度本身并没有发电的能力,想象一下有一个处处都是1000℃的环境,那么任何用“热”发电的机器都无法运转。我们需要的是温度差,只有能将“热”排放到“冷”中的条件,才能让“热”流动起来,变成电能。这就像是高处的水,只有在流向低处時才能发电,如果它只能一直呆在高处,那么我们就不能认为其中存在着可利用的能量。

如果要解释得更深入一点,就需要涉及到“熵”的概念了,熵是物理体系混乱度的衡量单位,本质上来说,任何能量的变化都是熵的流动。因为对我们有意义的是“有序”而非“混乱”,所以通常会用“负熵”来描述。

“负熵”拥有不可逆转的流动方向,在一个封闭的体系中只能减少不能增加。所以当我们想获得某种能源时,其实是想获得能量上携带的负熵。可有意思的是,热能其实是所有能量中负熵较低的,而电能则是负熵较高的,要怎么样才能让负熵实现“逆向流动”呢?

当然,人类是没有能力改变物理规则的,但是我们可以用一些其它的手段,在满足基本条件的情况下也能获得更多负熵,那就是富集——把热能中低密度的负熵集中到高密度的电能中来,这么做要付出的代价就是消耗掉一些负熵,这样就不会违背熵不可逆流的规则。

消耗负熵,其实也就是增加熵(所以负熵不能逆流的规则叫熵增定律),那么这些多余的熵要如何排放出去呢?当然是排放到环境中去,也就是“冷”的地方,接受了来自热源的排放——尾气或是冷却蒸汽后,冷的地方变热了一点,熵也就增加了一点,于是负熵的流动就可以成立,发电机也就可以正常运行了。

这就是用“冷”发电的答案了,我们一起都在利用着“冷”发电,自然也就没什么可研究的啦,我是酋知鱼,一条不会发电的科学作者,欢迎关注!

不管什么发电,都要能量,热就是一种能量,这个“热”不是人体感觉到的热,不是说50度就是热,0度就是冷,而是以开尔文温度的0度为标准,0度开尔文温度等于-273.15摄氏度,0开尔文温度以上的物质都会带有热量,所以你所说的冷和热,都是属于有热量的物质,并不是两种相反的属性,只是热量多和少的区别,热量多自然发的电就多。但是直接用热量发电本来效率就低,温度再低的话,就很难产生电量,所以目前没有用冷来发电,但是不代表未来没有。

热能本质上是物质的分子能,分子能大就热,分子能小就冷。物质只有由热向冷转变才能释放出分子能从而推动发电机发电。因此只有热能是发不了电的,比如常温的海水是具有热能的,但没法发电。如果有冷源,比如地球某个洞能恒定-100度,那么就可以把常温的海水向低温源转变,从而释放分子能发电。犹如地面上的砖头砸不死地面的人,但可以砸死在井下的人一样。

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