摘 要：卡諾定理的主要原理是：汽缸中氣體壓力推動(dòng)汽缸中的活塞做功，由汽缸的直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)飛輪的旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)過(guò)程中，汽缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由數(shù)學(xué)微積分可以計(jì)算出，其汽缸的直線運(yùn)動(dòng)做的功只有25%轉(zhuǎn)變成飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，因?yàn)?，在汽缸的直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸是轉(zhuǎn)動(dòng)的，功的傳遞中損失了75%。本文正從這個(gè)原理出發(fā)，設(shè)計(jì)出新的熱能轉(zhuǎn)換裝置――曹氏熱能轉(zhuǎn)換裝置，即將汽缸的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)“如自行車鏈條”一樣的還是直線運(yùn)動(dòng)，再由鏈條帶動(dòng)飛輪的旋轉(zhuǎn)，在這樣新的理論計(jì)算下可以得出，汽缸的直線運(yùn)動(dòng)做的功在理論上會(huì)100%的轉(zhuǎn)變成飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。而且在此基礎(chǔ)上還多出了兩個(gè)做功：一是汽缸的直線運(yùn)動(dòng)做功結(jié)束時(shí)還有大量的乘余氣體的壓力可以再做功，即可以把汽延長(zhǎng)，使汽缸的直線運(yùn)動(dòng)到缸內(nèi)氣體壓力等于大氣壓時(shí)，排出缸內(nèi)的氣體；二是如果用的蒸汽推動(dòng)汽缸的直線運(yùn)動(dòng)做功，當(dāng)汽缸內(nèi)蒸汽低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，排出缸內(nèi)的氣體，只需32℃-35℃的冷凝水就可把排出缸內(nèi)的氣體凝集成水，這樣就會(huì)形成缸內(nèi)負(fù)氣壓，達(dá)到空氣中的大氣反推汽缸做功。

關(guān)鍵詞：熱能；蒸汽；做功；卡諾定理；熱能轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：140.80 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）33-0003-03

1 原 理

1.1 卡諾定理

卡諾定理示意圖，如圖1所示，蘭的A為氣缸，B為氣缸內(nèi)的活塞，C為曲軸，活塞連桿BD也曲軸連接于D點(diǎn)，氣缸內(nèi)的氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲軸繞O軸旋轉(zhuǎn)。設(shè)活塞的半徑為R，活塞的面積為S，則s=πR2，曲軸OD=r，則L=2r。

設(shè)氣缸內(nèi)的氣壓為p，則活塞所受到的推力：

F=pS=πR2p，

活塞所做的功f（w1）=FL=2p。從圖中可以看出，活塞沿運(yùn)動(dòng)方向BH所受的力被分解成BG和BJ兩個(gè)分力，只有BJ力對(duì)曲軸起有效作用，而作用在曲軸上的力又被分解成沿園周切線方向的力DF和向心方向的力DO，而只有沿園周切線方向的力DF做功有效，這個(gè)力還隨著曲軸旋轉(zhuǎn)角度θ不斷變化而變化。所以，當(dāng)活塞以均等的力推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳的功是在不斷變化的。

設(shè)曲軸OD繞O軸旋轉(zhuǎn)所做的功為f（w2），則由數(shù)學(xué)微積學(xué)可求出兩都之間的關(guān)系為：

f（w1）=f（w2）25%

這就是卡諾定理的原理。

1.2 曹氏熱能轉(zhuǎn)換裝置的原理

曹氏熱能轉(zhuǎn)換裝置原理，如圖2所示，把曲軸設(shè)計(jì)成兩個(gè)園盤O1和O2，并用鏈條把兩個(gè)園盤連接在一起，在兩個(gè)園盤連接的一邊水平方向上，把氣缸的活塞推力桿BD連接在鏈條上，這樣氣缸的活塞推力所做的功，理論上全部傳遞到曲軸中去，達(dá)到100%傳遞的效率。

2 設(shè) 計(jì)

①設(shè)計(jì)示意圖，如圖3所示。

D為兩個(gè)氣缸外的紅色方框，與兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪O1和O2上的鏈條相連接，D方框把兩個(gè)活塞B1和B2固定在方框內(nèi)，兩個(gè)活塞交替推動(dòng)D方框，帶動(dòng)鏈條趨動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)動(dòng)做功。圖3中的四個(gè)活塞為一組，3組這樣的活塞組成部機(jī)器，共12個(gè)氣缸交替輪流做功工作。如圖4中（2）由3組（1）組成的示意圖。

這里L(fēng)1可以任意調(diào)節(jié)，即與關(guān)閉供汽的時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)，這樣就非常容易做到在任意蒸汽的壓力力下工作都能達(dá)到熱功轉(zhuǎn)換的最大化。

這種裝置除了體種小，效率高以外，其最大噪音低于20分貝以下?？芍^是潛艇的好動(dòng)力，所有的AIP潛艇都可使用這種核動(dòng)力裝置進(jìn)行替代，其潛水的最大天數(shù)不是7-15天，而是70天以上。

②如圖4所示，圖中的（1）為固定盤，盤中的A為進(jìn)氣口，C為進(jìn)氣口與園盤交界處設(shè)置一個(gè)進(jìn)氣閥門，D為固定在圓盤上的一個(gè)隔氣栓，為固定盤中間的軸承，將轉(zhuǎn)動(dòng)盤裝在上；圖中的F（2）和（3）為轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，在F上安裝有一個(gè)活動(dòng)的氣門塞E，（2）為F上的活動(dòng)的氣門塞E為關(guān)閉裝態(tài)，以便可以通過(guò)固定盤中上D隔氣栓，（3）為F上活動(dòng)的氣門塞E處于打開狀態(tài)；（4）為F安裝在固定盤中軸承上的轉(zhuǎn)旋工作示意圖，此時(shí)進(jìn)氣閥門C為開啟狀態(tài)，蒸汽進(jìn)入工作通道推動(dòng)氣門塞E做功，當(dāng)F轉(zhuǎn)動(dòng)一定比例的園周時(shí)，如圖（4）的位置，進(jìn)氣閥門C關(guān)閉，由通道中蒸汽乘余壓力繼續(xù)做功，達(dá)到排出氣體的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓時(shí)排出，既利于蒸汽的凝集，又降低了凝集熱的值，達(dá)到提出熱功轉(zhuǎn)化率的效果。（5）為轉(zhuǎn)動(dòng)園盤F上的氣門塞E經(jīng)過(guò)固定園盤上D隔氣栓時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，以便可以通過(guò)固定盤中上D隔氣栓，（6）為轉(zhuǎn)動(dòng)園盤F上的活塞將氣體從B出口排出的過(guò)程。

這樣的裝置固定盤中上裝上轉(zhuǎn)動(dòng)園盤F為一組，O可直接裝在發(fā)電機(jī)上，可將六組同軸裝在一起，以達(dá)到發(fā)電機(jī)上獲得穩(wěn)定軸紐力，持續(xù)工作的目的。

這種裝置：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、全機(jī)械結(jié)構(gòu)、安全使用壽命長(zhǎng)。

3 討 論

這種超小型、超低音、高效率新的理論指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的熱能轉(zhuǎn)換裝置--曹氏熱能轉(zhuǎn)換裝置，只是一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品，因?yàn)楦茖W(xué)高效的產(chǎn)品是：熱能電版，即如同太陽(yáng)能電版把可見(jiàn)光，即太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能一樣，把紅外線即熱能光子直接轉(zhuǎn)變成電能的電版，這樣的產(chǎn)品無(wú)論從原理上、設(shè)計(jì)上、生產(chǎn)的可能性上都己成熟。

設(shè)計(jì)一個(gè)航空運(yùn)輸機(jī)的核動(dòng)力裝置的重量與輸出功率實(shí)例：還是以10個(gè)大氣壓的蒸汽，即10 MP的蒸汽為例，以圖4中的熱能轉(zhuǎn)換裝置，則轉(zhuǎn)盤周長(zhǎng)的1/10為進(jìn)汽長(zhǎng)度，另9/10為蒸汽乘余壓力工作長(zhǎng)度，理論上排汽壓力降為1個(gè)大氣壓。10組轉(zhuǎn)盤共2米長(zhǎng)，每個(gè)轉(zhuǎn)盤中氣門塞E的寬為20 cm，設(shè)每個(gè)氣門塞E高出轉(zhuǎn)盤的長(zhǎng)度為60 cm，轉(zhuǎn)盤F的半徑R=100 cm，那么，10轉(zhuǎn)盤獲得持續(xù)的線推力：

F=20×60×10+20×60×5=18 t（噸）

以每分鐘450/轉(zhuǎn)，則每小時(shí)10MP蒸汽量：

V=2×0.2×0.6×450×60=24 000 m3

每小時(shí)做功理論值為：

W=2πRF450=3 053 628 007.2 kgm=29 925 554 470.56 J（焦?fàn)枺?8.3 MW。

裝置的體積V=6.28 m3。輸出功率以70%計(jì)算則其輸出功率：

f（p）=8.3×70%=5.81 MW（兆瓦）。

以1公斤鈾的裂變能在一年內(nèi)均勻釋放的情況下，功率是

2 000千瓦。計(jì)算，所需鈾的量為G=2.49 t。如果使用包覆顆粒直徑小于1 mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6 cm的球形燃料元件，體積為：

V軸=0.13 m2。

水在10 MP時(shí)，溫度為311.037/℃，汽化潛熱1 317.21 kJ/kg，噸水蒸汽的體積等于1 000/0.8 035=1 244.6 m3，0.3MPa的飽和溫度是133 ℃，水汽化后體積會(huì)增大1 800倍，也就是1噸水氣化后能產(chǎn)生1 800立方氣體，10 mp下蒸汽溫度應(yīng)該是320度，汽化潛熱1 317 KJ/KG，1t放熱也就是：1 317×1 000=1 317 000 kj/KG，每分鐘用水的蒸汽量=0.22t（噸），即如果水能及時(shí)地被冷凝回收，則1 t（噸）水就足夠了。

運(yùn)-20運(yùn)輸機(jī)4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)重量10T，還要裝原料油20T，合計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)總重30T。如果用以上這種輸出功率為：

=8.3×70%=5.81MW（兆瓦）

裝置直接帶動(dòng)曹氏渦槳（一種新型螺旋槳），可以飛到超音速。再帶0.5MW，重量為1T重的發(fā)電機(jī)發(fā)電，則包括鈾發(fā)熱裝置、水蒸汽發(fā)生裝置、發(fā)電裝置、渦槳裝置在內(nèi)總重不超過(guò)10T，輸出功率8MW以上，無(wú)需加油，理論上可以在天上飛一年無(wú)需降落。

這是靜推力，在流體流動(dòng)的情況下，按流體力學(xué)計(jì)算，軸線推力要小得多。

4 結(jié) 論

這種熱能轉(zhuǎn)換裝置--曹氏熱能轉(zhuǎn)換裝置，噪音低，使其噪音低于20分貝以下。在10個(gè)大氣的蒸汽壓力下，即10 MP壓力下，比汽缸做功的效率高出20倍。比同等汽壓下工作汽輪機(jī)不僅體積小、噪音低，而且其工作效率要高出10%以上。所有的AIP潛艇的動(dòng)力都可以使用這種超小型、超低音、高效率的核動(dòng)力替代。

5 展 望

這種熱能轉(zhuǎn)換裝置--曹氏熱能轉(zhuǎn)換裝置，不僅在核動(dòng)力上使用，還可以用于所有的核電站、火力發(fā)電廠。由于其體積小、效率高、噪音低，還可以做成核動(dòng)力在大型運(yùn)輸機(jī)上使用。甚至于大型運(yùn)輸汽車上作為動(dòng)力使用。

這種熱能轉(zhuǎn)換裝置也只是熱能電版出來(lái)前的一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品。熱能電版：即如同太陽(yáng)能電版把太陽(yáng)能（可見(jiàn)光子）直接轉(zhuǎn)變成電能一樣，把紅外線光子（不可見(jiàn)光子）直接轉(zhuǎn)變成電能，筆者在3年前就己從原理、制造工藝、設(shè)計(jì)上趨于成熟的科學(xué)技術(shù)，其工作的最低臨界溫度如果達(dá)到-40 ℃，則在地球上有人類居住的地方都能將周圍環(huán)境中的熱能源源不斷地轉(zhuǎn)變成電能供人們使用。這種熱能電版，1在工作狀態(tài)下，可有1安培電流，如果放在水中，水會(huì)立即結(jié)冰。所有的車輛如果中間以一塊鈾發(fā)熱源（棒），外面包裹10層熱能電版（約30 cm厚），就可以源源不斷地發(fā)電供汽車行駛，當(dāng)汽車不行駛時(shí)，可將電能并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)電。也就是說(shuō)，那時(shí)，地球上可能會(huì)鼓勵(lì)人們用碳，而不是現(xiàn)在碳減排和限排，因?yàn)樘际侵参锏摹凹Z食”。那時(shí)的石油可能象現(xiàn)在的煤一樣，成為過(guò)時(shí)的產(chǎn)品。

（聲明：本文作者保留要求任何使用本原理的組織或個(gè)人捐獻(xiàn)低于其純利潤(rùn)1%的資金給本文作者的權(quán)利。）

參考文獻(xiàn)：

[1] 張三慧.大學(xué)物理（第二版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999，4.

[2] 吳百詩(shī).大學(xué)物理（上、下冊(cè)）第一版[M].北京：科學(xué)出版社， 2001.6.

[3] 陳宜生.物理學(xué)（第一版）[M].天津：天津大學(xué)出版社，2005.

[4] 同濟(jì)大學(xué)教研室主編.高等數(shù)學(xué)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，

1981.

[5] 曹焱.論光速的相對(duì)性和絕對(duì)靜止參照系的關(guān)系——實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光子 動(dòng)態(tài)慣性的存在[J].教育學(xué)，2013，3.

[6] 曹焱.論光的頻移和時(shí)空相對(duì)性的關(guān)系[J].教育學(xué)，2013，8.

[7] 曹焱.論正負(fù)電子的結(jié)構(gòu)和組成[J].教育學(xué)，2013，15.

[8] 曹焱.論中微子暨膠子的結(jié)構(gòu)和組成——統(tǒng)一場(chǎng)理論概述[J].學(xué)習(xí)導(dǎo) 刊，2014，5.

[9] 曹焱.論電磁學(xué)中高斯電通量定理的謬誤[J].學(xué)周刊，2014，12.

[10] 曹焱.粒子物理——核心學(xué)說(shuō)暨質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)和組成[J].學(xué)周 刊，2015，5.

[11] 曹焱，論物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成暨廣義統(tǒng)一場(chǎng)理論[J].中小企業(yè)管理與 科技（下旬刊），2015.8.

[12] 曹焱.狹義統(tǒng)一場(chǎng)理論-論電磁力與強(qiáng)力、弱力、萬(wàn)有引力的統(tǒng)一[J].

中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2016.2。