四、热能的应用
1、物体的热胀冷缩。
物体的体积都会受到温度和压力的影响。大多数物体表现出热胀冷缩的性质——受热时体积要变大，冷却时体积要缩小。有少数物质在一定的温度范围内则有相反的现象——热缩冷胀，冷却时体积要变大，加热时体积要缩小，例如冰、铋、锑、铁等。水从4度降到0度时会膨胀，水结冰要胀大，铁凝固也会胀大。热对气体影响最大，液体次之，固体最小。就是说热使气体膨胀最大，液体膨胀次之，固体膨胀最小。炁体不受温度的影响，体积始终如一。温度对水的影响有些特殊。水的比热最大，导热性能很差，而且受热的影响情况和其它液体有所不同，这对水环境和生物有十分重要的意义。当水从0度加热到4度时，它的体积不是增加，相反是缩小的。在0度以下和4度以上则同其它液体是一样的。因此，4度的水体积最小，密度最大，等于1g/cm3。当水面结冰的时候，冰下面的水温可以保持在0~4度，使水里的生物能够顺利过冬。
炁学提示：胀缩是由物体炁子的多少决定的。炁子增加则胀大，炁子减少则收缩。这是物理变化，是炁子的量变过程。对于冷胀热缩的物体又怎么解释呢？这是由于结构上的变化：热炁流使物体炁子变成了分子炁子或者原子炁子，分子或者原子变大了，物体炁子少了所以体积变小了。水的比热很大，就是吸收热炁流的能力很强，表明热炁流不但变成了水炁子，还大量变成了水分子炁子，有可能还有一些变成了氧原子炁子和氢原子炁子。水从4度降到0度时会膨胀，水结冰要胀大，表明水炁子和冰炁子增加了，是水分子炁子变成了水炁子和冰炁子。
图4.96热对体积的作用
2、固体的热胀冷缩规律。
固体有线膨胀和体膨胀两种情况。
固体的线膨胀是长度变化，同固体的组成、温度、长度有关。用线胀系数α表示：
α=（lt－l0）/l0t或者lt=l0（1+αt）或者l2=l1[1+α（t2－t1）]
其中lt和l0分别是在温度为t和0℃时的长度。一般物质的α值是e-5～e-6（1/度）。
固体的体膨胀用体胀系数β表示：
β=（Vt－V0）/V0t或者Vt=V0（1+βt）或者V2=V1[1+β（t2－t1）]
其中Vt和V0分别是在温度为t和0℃时的体积。
α和β的关系式：
β=3α（1/度）
由于固体的热胀冷缩关系，因此在生产应用中有好处也有坏处，是需要充分考虑的。金属温度计、温度调节器、钟摆的补偿装置是利用固体的热胀冷缩制成的自动化仪器的例子，而热胀冷缩会使玻璃破碎、铁路、电线、管道和桥梁毁坏。殷钢和石英玻璃的线胀系数很小，经常用于冷热变化很大的地方和精密仪器的制造。金属的形状记忆效应是在1950年代发现的，有一个相变温度（低温Ms点和高温As点），通过合金成分的变化而变化，可以作为热敏驱动元件。形状记忆合金的形状对温度反映灵敏并且有线性关系，具有感温和驱动作用，电阻、膨胀系数、导磁性、弹性也发生变化。
炁学提示：物体体积的变化方向同形状有关，也就是同炁子的形状有关，总是沿炁子多的方向膨胀。
3、液体的热膨胀。
液体的体膨胀比固体要大得多，一样用Vt=V0（1+βt）计算。一般液体的β值是0.00018～0.00100（1/度）。
液体的热胀冷缩现象的应用——温度计。
温度对液体密度的影响，可以用下面的公式计算：Dt=D0/（1+βt）。
4、热机。
气体膨胀做功的应用主要是热机。热机是利用热能做功的机器。具体地说，热机是利用燃料产生的高温高压气体推动机械运动的机器。热机的种类有蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、活塞式内燃机（通常简称为内燃机）、喷气发动机、火箭发动机等，分为内燃机和外燃机两类。内燃机的燃料在机体内燃烧直接产生高压热气体做功，外燃机的燃料在机体外燃烧使锅炉里的水（高级的用氢气）产生高压水蒸气做功，而生产水蒸气的机器叫做锅炉。热能来自燃料燃烧所产生。热机所用的燃料有固态的可燃固体（煤炭、柴草），气态的可燃气（例如煤气、沼气、氢气）、液态的可燃液体（例如石油、柴油、油脂、酒精）。此外，热机所利用的热源还有核能、地热、太阳能等。核能源也是一种固体能源、固体燃料。
火箭发动机是最先进的热机，导弹、宇航设备等先进武器都是用火箭发射的。火箭发动机有液体火箭发动机和固体火箭发动机。液体火箭推力大、效率高、容易控制，作为火箭的主发动机和助推发动机。固体火箭体积小，但是推力小，不容易控制，经常用在助推器和上面级发动机。液体火箭的燃料在发动机内燃烧时产生的压力达70~200个大气压，温度达2~4千度的气体，经过喷管膨胀加速到2~4.7公里/秒喷出，形成巨大的推进力。现在单台推力最大已经达到720牛顿，通常用多台发动机并联工作。固体火箭的单台推力一般只有数十牛顿。火箭飞行时，会与空气摩擦产生大量的热，温度可以达到几千度以上，一般的金属、陶器和有机物材料都会被熔化或者分解，后来采取了烧蚀材料解决了这个问题。烧蚀原理是利用烧蚀材料通过吸收热、热分解、形成碳化层阻热。树脂复合材料适合作为热蚀材料，例如导弹用酚醛树脂、碳纤维布、沥青树脂等，飞船用硅橡胶、环氧树脂、酚醛环氧树脂等。
理想热机是卡诺提出来的概念，是一种永动机。当然不可能制造出这种机器。但是，如果改变一种特殊的燃料——炁体，就能够制造出新型永动机——炁机。炁机不是不用能源，而是利用无处不在的炁体作为能源，不需要携带。就是说，炁学的永动机概念和西学的永动机概念是不同的。西学永动机是不需要补充能源的永动机器，炁学永动机是以炁体为能源的永动机器。
炁学提示：热机是使燃料炁子变成气体炁子和热炁流作为动力的装置。
5、低温技术和超导。
在低温（低于－110℃）下物体会发生性质变化，出现奇异特性——超导态，例如超导电性、超导热性等。超导有低温超导、高温超导和常温超导。超导的研究经历了三个发展阶段，从1911年发现超导现象，到1957年超导理论问世为认识阶段；从1958年到1985年为准备阶段，超导的应用研究在1960年代达到了顶峰；从1986年到现在为开发阶段。目前的超导温度都很低，最高的只有64K。开发300K左右的常温超导体将进入实用阶段。还没有发现常温超导和高温超导现象。
1908年荷兰的莱登在实验室第一次制得－268.9℃的超低温，为人类研究低温世界的物质性能创造了条件。超导是荷兰的卡末林·昂内斯在1911年发现的电现象：在4.2K时，汞的电阻突然变为0，进入超导态。在极低温度（低于160K）下，导体的电阻会突然变成零，出现低温超导电性。后来有人陆续发现了许多超导现象。1933年，德国科学家迈斯纳和奥克森菲发现了超导体的完全抗磁现象，叫做迈斯纳效应：在超导态，导体的磁感应突然为零。1957年，超导理论（BCS理论）诞生，揭示了超导电性的本质：金属中的自由电子形成电子对（也叫做库珀对），电子对中的两个电子的自旋相反，动量大小相等而方向相反，动量为零。此后进入了应用阶段。超导电体和超导磁体有广泛的用途。1961年，发明了铌三锡超导磁体，可以产生约7万高斯的强磁场。一般的电磁铁需要大量的电能，而且体积巨大，一个产生5万高斯的常规电磁铁重量达20吨，而超导磁体只有几公斤，具有耗能少、重量轻、体积小的特点。1969年，英国研制成功一台直流超导电机，转速为200转/分，功率为3250马力。磁浮列车的概念是1966年由波维尔等人提出来的，设计时速为550公里/小时。1979年，日本终于制造出超导磁浮列车，创造了时速504公里的纪录。1963年，约瑟夫森效应（超导隧道效应）的发现打开了超导电子学的大门，开辟了超导新的应用途径：微观粒子有特殊的穿山本领，能够顺利通过导体，在导体内顺利流动。同年，罗威尔发现超导隧道结的临界电流随磁场变化非常灵敏。利用超导量子干涉仪（SQUID）可以提高这种灵敏度，可以用来探测十分微弱的磁场变化，分辨率达到10－11高斯，是研究磁场的有力工具，对于检测生物磁场（脑磁、心磁），它是无可替代的仪器。1966年，马梯索利用超导电阻的突变现象制作超导计算机元件。超导电脑具有速度快、容量大、体积小、功耗小的优点。人们还发明许多超导电子器件，例如红外探测器、极灵敏的伏特计、电池电压基准监视器等。
1985年前，人们在超导应用研究中已经取得了巨大的成就，但是为什么不能普及开来呢？这是因为之前所发现的超导物质的超导温度（Tc）很低，不容易做到。由于超导材料的原因，使超导应用不能够普及。1985年的超导温度Tc纪录为23.2K（Nb3Ge），1986年4月纪录为30K（钡镧铜氧化物），1996年纪录为164K（汞钡钙铜氧化物），这是至今最高的Tc值。至今没有发现常温超导物质，即Tc=300K（27度）的物质，严重制约了超导技术的发展。如果能够找到常温甚至高温超导物质，那么超导技术将给人类带来无限希望，前途一片光明。