论天然气中的“另类”能量 广东省博罗高级中学（516100） 林海兵 温馨提示：如果图形、公式显示有问题请点或者 摘要：被人们认识到的天然气，只是可以燃烧的甲烷，可天然气中的“另类”能量，至今为止仍被人们忽视，在能源逐渐匮乏的今天，我们能不能把这种“另类”能量利用起来？ 关键词：天然气，能量，小孔节流，降温，升温，密度不平衡 又是很长的一段时间，笔者原本打算把《统一物理理论环境论》写成书稿，可真的一动起笔来，却又发现还有许多的东西还没有从真正意义上弄清楚，写了几个字就停了下来。不过，时间也没有白费，因为在与朋友们的电邮来往中，让笔者来获良多。 许多朋友对笔者说——你不应该把研究面放得这么大，因为一个人的能力、精力都是有限的，面放得大，不利于更深入的研究。是啊，笔者为什么要把研究面放得这么大呢？笔者也时常反思，这是笔者研究的本意吗？不！笔者根本没有这样的意思，回来头再看看自己走过路，原来我对物理学的研究念头也没有出现过，开始的目的，只是想写一两篇文章，希望能够在杂志上发表，然后顺利地通过高级职称的评审。谁曾料到，笔者这一开始，就没有停止，不由自主地，像是被人牵着。就这样，直到现在，笔者几乎所有时间都投入到这个研究之中，而把评高放在另一边（当然，笔者几乎年年都评高，却年年都名落孙山）。 不过，朋友们的意见笔者还是认真对待的，是不是把研究面收一收，效果会更好呢？通过这段时间的反思，笔者终于想通了，科学研究不应该以个人的喜好为转移，不是说想收就可以收，想放就可以放。或者说，物理学本来就由其各个板块——力、热、电、光、原、天体……构成的一个有机的整体，它们相互联系相互渗透，更重要的是，它们互为参照。 笔者一再认为，做研究，与走路一般，方向至关重要，一旦方向错了，走得越远，就离目标越远，于是这就要求我们必须找到一个方法来判断——我们路的方向是否走对了。日常生活中，我们在公路上树立了许许多多的路标，它们告诉我们该怎么走才能到达目的地；沙漠、草地、森林中，人们时常迷路，就是因为我们很难这些地方找到可以作为路标的参照物。研究也一样，如果我们仅仅选择某个单一的课题为研究对象，那么，如何判断研究方向是否正确？用什么作为参照呢？ 笔者认为，笔者能够把研究一直进行到现在的原因，就是笔者没有人为地选择某个领域作为研究对象，而顺着研究的发展趋势，该研究力学时就研究力学，该研究热学时就研究热学……这并不是浪费时间，原因其实很简单,因为虽然我们人为把物理学分成为各个板块,可实际上物理学不会因为我们这样的分类而改变它本来是有机统一的面目,或者说物理学的各个板块之间是一种互为参照的关系,它们之间具有相同的最基本的原理.一个板块中的理论,它一定可以在其他板块得到应证。 经典物理学之所以是今日的面目,很重要的就是研究者各自为政,各自向着自己的方向去研究,他们失去了客观的参照。 1 天然气节流问题 前一段时间，收到叫做“王宇”人的邮件，他自称是中国石油西南油气田公司采气工程研究院 的研究人员，他给笔者提出一个问题——天然气节流时温度下降生成了天然气水合物，造成传输管线堵塞的生产事故。 据“王宇”介绍，天然气在气井之下的气压值大约为20MPa，当通过小孔节流到约为5MPa时，温度下降达到40多摄氏度，这是天然气成为水合物的根本原因。目前的解决方案是利用水套炉（天然气作为燃料）对天然气进行加热，可这种方法地面建设成本高，而且需要人员值班，成本很高。 “王宇”说，他看了笔者的论文《论小孔节流》之后，认为笔者可能有能力解决这个问题便给笔者发了电邮。 2 小孔节流问题 事实上，天然气的节流问题就是小孔节流，而笔者在《论小孔节流》一文中，仅仅论述了气体或者液体在节流后的温度降低的原因——是绝热条件下的体积膨胀造成了其内部的红外密度的减小（笔者认为，对于空间而言，所谓温度其实就是空间的红外波动的密度的大小，而所谓热量就是红外光线波动）。其实，关于节流温升问题，笔者也是知道有这回事的，只是一直以来把它放置于一边而没有去研究罢了。可现在，xx 气节流降温造成的事故已经摆在眼前，迫切需要解决，这才不得不把它放在研究的xx议程上。 为了解决这个问题，笔者必须首先把经典物理学（热力学）关于小孔节流的经典理论在本文中简要地阐述一遍——①气体（液体）的小孔节流过程属于绝热膨胀过程；②因为是绝热过程，所以也就是等焓过程，；③人们通过节流实验测得了如图1.9所示的等焓线，并定义了焦耳-汤姆逊系数 ； ④，经节流膨胀后，气体温度降低； ，经节流膨胀后，气体温度升高；， 经节流膨胀后，气体温度不变。⑤人们还得到了如图1.10所示的转化曲线图，并把整个曲线图分成为与的两个区域，即制冷区与制热区。⑥{zh1}，人们通过对不同气体进行 实验，又得到了如图1.11所示的转化曲线图。 3 疑问 分析小孔节流的实验结果我们可以得到以下结论——①常温下几乎所有气体在节流后温度都下降，具有制冷的效果，而只有氢气、氦气及惰性气体则相反，节流后温度上升；②在高温情况下，所有气体节流后温度都上升；③在高压情况下，所有气体节流后温度也都上升。 在经典物理学中，对于气体节流得到了这样的转化曲线作了可以非常详细的论述，可是，尽管如此，我们所能见到了论述中，其论述的对象并不是气体本身，而是一系列的数学公式，于是这便引发了许多的疑问。 ①图1.9是气体经过小孔节流实验得到的 ，而小孔节流过程属于绝热膨胀过程，那么，同为绝热膨胀的非小孔节流过程，是否符合该曲线的描述？如图1.12 所示，把绝热容器用隔板分成A、B两部分，其中A充有气体，B为真 空，当我们把隔板抽去之后，A内的气体发生绝热膨胀。在这种情况下，是否可能发生温度升高的效应？ ②同为绝热过程的绝热压缩过程，气体又是否有可能出现温度降低情况？ ③同为绝热过程，普通的绝热膨胀的气体可以用对外做功之后内能减小导致温度下降，而小孔节流的气体也同样对外做功有的气体的温度反而上升？ 4 小孔节流的温升原因 对于问题①，笔者可以预言（这也许不算是什么预言）——无论气体开始的状态压强有多大，只要把容器A、B之间的隔板抽去，气体绝热膨胀的结果一定是温度下降，而{jd1}不会发生 温度升高的现象。对于问题②，笔者同样预言——绝热压缩的结果一定是气体温度升高，也不会发生温度降低的现象。 笔者认为，人们对于小孔节流实验数据的处理与分析方法是存在某些缺陷的，当然对于上述图表，用焦-汤系数进行分析并不存在什么问题，问题是这样的图表在小孔节流过程中是怎样形成的？我们在分析它的形成机理时，不应该只是从公式到公式，而应该更多地关注在节流过程中的气体分子（原子）的运动情况与普通绝热膨胀过程是否有什么不同。如果我们不能找在小孔节流与普通绝热膨胀过程中气体分子运动的差别，或者说，两者的分子运动过程几乎xx相同，那么按照逻辑推理，它们的结果也应该相同才是。然而，实验的结果却相反，这意味着什么呢？ 事实上，同为绝热膨胀同为等焓过程的小孔节流过程与普通绝热膨胀过程，对于其气体分子而言，它们的运动情况是相同的，两个过程中不同的仅仅一个用了“小孔”，一个没有用“小孔”，便出现了不同的结果，难道“小孔”在这样的过程中不足产生这样区别吗？然而，“小孔”至今没有引起人们的注意，人们所关注的始终是那些人们认为最重要的“公式”，人们分析的仅仅是“公式”！ 笔者认为，引起小孔节流与普通绝热膨胀不同的原因就在小孔与气体之间分子结构——①常温下，一般气体分子运动实体有效体积之外的环境中，因构成气体分子的原子核外层电子分布的不xx均衡，使这些电子运动激发的电性子不平衡（即速度旋度场或者称之为磁场）不可能xx消失，使这些气体分子依然运动于周围气体分子的速度旋度场中，产生了吸引的效应。这种吸引的效应其实就是经典物理学所谓的“分子力”。由于产生这种“分子力”的原始不平衡程度很弱，故“分子力”也很小，在气体分子发生运动时，相对于使气体分子发生运动的策动不平衡而言，它的影响几乎可以忽略，这就使气体成为分子自由度极大物体。②常温下的惰性气体则xx不同，因原子核外电子分布的xx对称平衡，使这些电子运动产生的不平衡xx中和，所以，外界一般强度的电性子密度场（电场）与电性子速度旋度场（磁场）都不会对惰性原子发生任何影响，同样的，惰性原子也不会产生影响其他原子运动的不平衡，所以，惰性原子之间、惰性原子其他气体分子之间根本不会产生相互“吸引”的“分子力”，它们之间独立性极高。③因为节流小孔我们通过用金属材料制成，金属原子外层空间因金属原子外层电子运动产生的电性子速度旋度场（磁场）是很强的，它对非惰性分子有很强的“吸引”能力。 由上述的普通气体分子、惰性原子及小孔表面原子的情况分析可见，普通气体分子与小孔表面原子之间存在着较大的吸缚，而惰性原子与小孔表面原子之间则xx不存在吸缚。这也就是说，在小孔节流的过程中，并不是所有的普通气体分子都会与小孔表面原子发生相对运动，在小孔表面原子上，吸缚着相当数量的普通气体分子，而这些被吸缚的气体分子在其他气体分子作节流运动时，它们却相对于小孔保持静止状态。如果是惰性气体，则正好相反，所有的惰性原子都相对于小孔发生运动。 那么，小孔与气体分子间的相对运动与气体节流后的温度变化有什么关系呢？ 笔者的《统一物理理论环境论》认为，所谓能量，其实在于比较，在于不平衡，单独一个物体不可能有什么能量可言，只有有了比较，两个物体之间存在着不平衡，那么才有能量可言。在研究气体绝热膨胀之前，我们必须首先弄清楚的是，除了容器内有要绝热膨胀的气体之外，容器外也有气体，可是，如果容器内外的气体密度温度积相等（其实密度温度积相等就是气体分子的体积密度相等），也就是压强相等，就肯定无法发生所谓的绝热膨胀，只有容器内的气体的压强大于外部的压强时，才有可能发生绝热膨胀。这就是说，容器内外存在着不平衡是绝热膨胀的必要条件。 容器内外的压强不平衡，就是气体分子发生绝热膨胀运动的动力，就是绝热膨胀运动的能量来源。在绝热膨胀运动发生时，这种不平衡转化为气体分子发生机械运动的动能，可是，当绝热膨胀结束之后，气体分子的动能还会转化为其他的能量吗？当绝热膨胀结束之时，也就是容器内外压强平衡之时，我们注意到，在绝热膨胀运动发生时，因为其他因素（比如：压缩机的工作、外界环境空间太大等）的存在，从容器口出来的气体的动能，并不会转化为其他形式的能量。 在绝热在情况下，绝热系统与外界之间没有红外波动（即热量）交换，系统内的红外总量保持不变，可在膨胀过程中，系统的体积在不断增大，这导致了系统的红外密度不断减小，于是系统的温度降低。这就是普通气体的绝热膨胀与多数小孔节流后温度下降的根本原因。 经典物理学对绝热膨胀的能量变化是这样分析的——因为绝热膨胀过程气体必须对外做功，于是，气体的内能减少，温度降低。可是，经典物理学对同为绝热膨胀的小孔节流却不采用相同的分析方法，如果还是这样分析，那么小孔节流就不可能发生温度升高的现象。这都是经典物理学根本就没有意识到什么是能量，能量的本质是什么！ 在气体发生绝热膨胀或者小孔节流的过程中，所谓气体对外做功，其实它更多的是对气体内部的分子做了功，更多的“能量”转化为气体分子的动能，而这些转化为分子动能的“能量”并不是经典物理学所认为的“内能”，而是气体的密度不平衡。在这些过程中，这些密度不平衡的“能量”转化为气体分子的动能之后，没有再次发生转化而消失了，这是气体温度降低的第二原因。 或者说，虽然是绝热状态，在气体密度不平衡的“能量”在转化为气体分子的动能之后，我们能够及时地再把分子的动能转化为我们所说的热量（即红外线波动），使系统内的红外总量增加，于是即使体积增大，也可能不会发生温度降低甚至反升的现象。 那么，怎样把分子的动能转化我们所需要红外线波动呢？关于这个问题，我们就必须知道红外波动的产生的机理。事实上，红外波动是低频段光波，是由低频运动的电子激发空间的中性子而产生的中性子波动。在任何温度下，原子核外运动的电子都在做着两方面的运动，一方面在做着半径与温度大小成正比高速高频的圆周运动，我们把这种运动称为绕核运动，温度升高，绕核轨道半径也增大，导致原子的有效体积增大，最终表现为物体的宏观体积增大，反之则减小，这就是我们所说的热胀冷缩；一方面，电子的圆周运动的轨道不是固定不变的，而是象我们发射的“神舟六号”等飞船、卫星一般，在某固定轨道附近发生低频的来回穿梭。正是电子的第二方面的来回穿梭的低频运动，激发产生的红外波动。 我们掌握了红外波动的产生机理之后，我们便可以知道，温度越低，原子核外在固定轨道附近发生低频来回穿梭运动的电子的数量就越少，为了升高物体的温度，我们就必须改变这种现状。 事实上，我们不可能直接地改变原子外层电子运动情况，然而，我们可以间接地进行，其中xxx的方法就是——摩擦。我们知道，摩擦对于宏观物体而言首先必须发生接触挤压，而对于微观原子而言，原子虽然不可能真正意义地发生接触，但是，这可以使它们的最外层电子的运动半径受到干扰，从而发生上述的在其轨道附近产生来回穿梭的低频运动，而激发出红外波动，增加空间的红外总量和密度，使温度升高。 在小孔节流过程中，正是氢、氦等气体分子与小孔表面原子之间没有发生相互的吸缚，在节流时，气体分子与小孔表面原子发生了相对的运动，而这种运动与我们常见的固体的摩擦是相同的，它可以足以使气体分子与小孔表面原子的核外最外层电子的运动受到干扰，而激发红外线，增加系统的红外总量。事实上，象这样的孔越多，孔径越小，发生这样的摩擦的气体分子总量就越多，产生的红外线就越多，就越有机会使气体系统的温度在节流后升高。 相反，普通气体分子因为与小孔表面原子的吸缚，节流时它们之间保持相对静止，当然，就不可能有效把分子的动能转化为升高温度的红外线了。 5 天然气节流的解决方案 鉴于上述分析，笔者给王宇提出了以下天然气节流的解决方案，方案的基本思路是在节流增大气体分子与孔壁分子的有效摩擦,产生更多的红外线。 方案1: 增长小孔长度,减小小孔的口径,增加小孔的数量,改变小孔的原来直孔为迂回曲孔。 对于这个方案，笔者认为如果没有改变气体与小孔表面层原子的吸缚状况，也不可能实现温度升高的目的。 方案2: 加热节流小孔,使小孔的分子的电子运动情况接近惰性状态,使在节流过程中减小气体分子与孔壁分子的相互吸缚,从而增大它们在运动时的相互摩擦.加热装置可采用电热\温度值可用电脑自动控制。 笔者认为，当物体原子的温度升高到一定程度，其核外电子的运动情况会相当接近惰性原子，原子外层因电子运动产生的不平衡也会不断减小，使原子与原子之间的相互影响更少。所以，随着小孔的温度升高，小孔表面原子与气体分子之间的相互的吸缚也将随之减弱，这样，节流过程中它们之间的摩擦增加，因此产生的红外线也将增加，于是温度升高。当热正反馈建立之后，也不再需要外加热源。 方案3: 寻找某种类似于(接近)惰性原子的固体材料,用它来做节流小孔表面的分子材料,同样可减小节流过程中气体分子与孔壁分子的相互吸缚。 笔者认为，性能与惰性原子相同的固体材料也许没有，可是，也许第四主族元素比较接近，如果用来做小孔表面材料，也许可以达到减少气体与小孔表面原子间的吸缚，在节流过程中增加磨擦，使节流后温度上升。 6 天然气中的“另类”能量 天然气的主要成份是甲烷，可能还混有少量的二氧化碳、硫化氢等杂质，我们所认识到的是它在燃烧时发出的热量，这也是它的价值所在。可是，对于天然气中的“另类”能量，至今还不为人们所认识。 天然气在气井中的压强大约在20MPa，是标准大气压强的20倍。用统一物理理论环境论的观点来说，天然气在气井内外存在着巨大的密度差，这个密度差蕴涵着巨大的能量，可是，自从人类开始开发天然气至今，这种“另类”能量一直未被人类开始利用。我们的火力发电厂每天都在消耗大量的煤炭，目的就是使水气化，并增大水蒸气的压强，从而使水蒸气在容器内外产生较大的密度差，并使这些水蒸气在这样的环境中发生属性运动，最终也使涡轮机在这样环境中发生属性运动而发电。可是，天然气中这本来就存在的不平衡，我们却是置之不理，把这样巨大的能量放弃，同时也在节流过程中给自己造成了不必要的麻烦。 笔者根据以上思想，设计了天然气降压的第二种思路:利用高压(高密度)天然气的密度差能,这是一种最为绿色的能量,它没有任何有害物质的排放,因为其输入的是天然气,输出的也是天然气。 方案4:把节流小孔的口径扩大 ,用天然气与外界的压力差,建成天然气发电厂,就象火力发电厂一般,输入的是高压的水蒸气,输出的也低压的水蒸气,这里我们无需其他任何动力,只天然气与外界的压强差设计在xx管道中应该串接几个减压发电机组,建设一个新的{jd1}绿色发电厂.在发电厂的天然气管道终端,建立一个体积较大的低压天体气库,再连接到我们的普通的输送线中,即可解决所有的问题。 完稿于2008年6月1日星期日 7 参考文献 [1]林海兵 《论小孔节流》 统一物理理论环境论网站 |
