空气分子热运动能量的利用_分子热运动能量守恒

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空气分子热运动能量的利用

徐四胜

陕西历史博物馆，陕西西安，710000

摘要

空气分子的运动蕴藏着巨大的能量。如果能利用空气分子的动能，同时调节大气的温度，那能源和环境问题就同时解决了。宏观上，物体表面受到的大气压强是均匀的，但微观上，在纳米尺寸及纳秒级时间内，物体表面的受空气分子的撞击力是不均匀的。本文设计出的纳米门模型，可以利用不均匀受力而形成单向受力，一个宏观的面板版上镶有无数个纳米门，就形成纳米动力版。只要放在空气中，动力版就能对别的物体产生力的作用，并对外做功。本质上是把空气分子的运动能转化为机械能。关键词：

纳米门

纳米动力板

碳纳米管

分子运动速率

引言

要通过纳米动力板来利用空气分子热运动能量的功能，必须满足两个条件：一是从技术上能生产纳米级的叶片、转轴和框架，并能镶入到宏观物体的特殊板材里；二是在纳秒级的时间里，空气分子对纳米级的叶片撞击存在不均匀性，能使叶片转动并撞击框架。

对于条件一，现在的技术基本能满足。

美国科学家用碳纳米管造出世界上最小的电动机，它的直径约为500纳米，能够在电压驱动下转动。纳米电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300纳米，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。至于如何把纳米小单元镶入到宏观物体的特殊板材里，要等纳米材料和技术进一步成熟才行。

对于条件二，根据理论计算是可能的。但还有待实验进一步证实。

1．空气的物理特性

1.1．空气分子的大小，分布密度及状态

气体在0℃和一个标准大气压下的状态称为标准状态，压强为1.013×10 Pa，空气密度为1.293g/L。标准状态下可视为理想气体，其摩尔体积22.4L/mol。空气分子的有效直径约为 3.5×10m，气体分子的平均间距约为3*10m。平均分子量为29 一摩尔气体于20℃时，体积约为 22.4升。包含6.02×10个分子。

由气体动力论，将空气视为理想气体，可以估算气体分子速率的算术平均值即平均运动速率。v23-10

58kT8kT12()（m为分子质量，k=1.38×10-23 Joul/K 为常数 , T 则为绝对mm温标）。可算出室温下气体分子运动速率约为500 m/s。平均自由程

式中n为分子的数密度，σ为分子的半径利用上述公式算出其平均自由程为L=6.9×10-m。可见,在标准状态下，空气分子的平均自由程约为其有效直径的200倍。

81.2空气分子撞击

根据动量定理，假设每个空气分子撞击表面的力为F，则 Ft=2mv。1s内打表面上的空气分子个数是n，根据压强公式则 nF=PS。假设撞击1m表面的空气分子的速度方向均与撞击面垂直，并以原速率反弹回来。由此可以估算出1s内撞击表面的空气分子个数约是2*10（已知大气压约为1.0×10Pa，一个空气分子的平均质量为4.9×10kg）

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22．纳米门模型

2.1设计思路

设计一个纳米级别的控制器，控制器在空气分子的撞击下，可以产生单方向受力，本文称之为‘纳米门’。纳米门的结构见下图

由门框、门板、门轴构成。

2.2工作原理

如图，当门板右边空气分子撞击门板的冲力大于左边空气分子撞击的冲力时，门板转动，撞击门框，产生力的作用。相反，当左边的冲力大于右边的冲力时，门板远离门框转动，不对门框产生力的作用。这就形成了单向受力的现象。

2.3．纳米门大致尺寸 根据空气的物理特性，现假设纳米门板 长*宽=20*15nm=300nm。一纳秒时间内单面撞击门

22板数约为n=2*10*300*10*10=600次。因为撞击是随几的，两边会存在不均匀撞击，从宏观上看，相当于空气分子单向对门框施加作用力。27-18-93．纳米动力板 3.1纳米动力板模型

把无数个纳米门组成的小单元同方向镶入到宏观物体的特殊板材里，就形成纳米动力板。把它放在空气中，就会向一个方向产生力。力的大小主要取决于纳米动力板内镶入的纳米门的多少、纳米门的大小、空气分子不均匀撞击的程度等，但产生的单向压强永远会小于1个大气压。动力版的模型见下图。图中空气对动力版的作用力的方向是向左。

3.2纳米动力板的作用

把风力发电的叶片换成纳米动力板，就可以发电。

纳米动力板发电，本质上是把空气分子的机械运动能转化为电能，空气分子运动减速，表现为降低了空气的温度。所以小型发电机可以作为家庭空调用（在夏天，即可降低室温，又可发电）。巨型发电机甚至可以调节地球的气温。

可以抵消飞机的重力，可以给予汽车、火车、飞机动力。…… 4．结论

空气中蕴藏有巨大的能量，如何利用好空气的能量是个重大的课题，本文从全新的视角探寻利用空气能量的途径。如果可行那将是人类的福音。