热力场与运动热力学研究（燃气轮机效率热力学理论研究）

本文是上一篇《电动压气机径向垂直进气冲压喷气式航空发动机及燃气轮机研究》的续篇，目的是从热力学角度解释绝热等熵压缩过程流速不变现象。提高燃气轮机效率，关键在于降低压气机功耗。传统热力学无法解释绝热等熵压缩过程流速不变现象，其根本原因在于传统热力学将压气机连续压缩过程的初始端和终止端做为两个平衡态，然后用准平衡态方法对压气机连续压缩热力过程进行研究。

出于对燃气轮机效率问题的研究需要，作者在2021年写了论文“统一热力重力场与运动热力学研究初步”，试图对传统可逆平衡态热力学进行探索研究，探索研究的结果发现传统热力学几百年来一直没能对热力学第一、第二定律做出自然原理推导和证明的定律，为此，作者根据物理学引力场原理，提出“热力场”概念。由热力场概念出发，对温度、熵、热力进行了自然原理推导，给出了温度、熵和热力的物理单位，从基本物理概念对热力学第一、第二定律进行了推理证明，提出了“运动热力学”热力学研究方法。由于“运动热力学”论文内容大多与物理学和热力学有关，因此作者将该论文投稿到相关的物理学刊物，但相关刊物审稿人以热力学和物理学界几百年来都认为“熵”是“标量”，因此"熵“不可能是“矢量”为理由退稿。为了交流和推进“运动热力学”研究，传播科学思想，作者将“燃气轮机效率研究”和“运动热力学”研究重新整理，将这一研究成果在今日头条发表，供有兴趣的读者参考，读者可以评论或私信留言，共同探讨和推进“运动热力学”的发展。

热力场与运动热力学研究初步

（燃气轮机效率热力学理论问题研究）

摘 要

现代宇宙学研究表明，宇宙空间总存在着某种物质，同时宇宙间任意点的温度总是高于绝对零度，由此可知宇宙间没有绝对真空和绝对零度。热力学研究指出，物体具有的热能等于物体的质量与温度的乘积，根据宇宙间不存在绝对真空和绝对零度这一观察结论，与万有引力定律相似，可以将宇宙间任意空间范围总是具有热（力）能这一现象解释为万有热力定律。物理学根据万有引力定律建立了重力场概念方法，同样根据万有热力定律，本文提出热力场概念方法。将热力场的高度值定义为热力场的温度，温度在热力场的物理单位和物理量纲为“米”；物体在热力场内在热力的作用下沿热力的方向产生运动，因此称为运动热力学；将时间引入热力学是运动热力学与传统热力学的本质区别，传统热力学将热力过程看做是一个时间无限长的过程，运动热力学则将热力过程看做是一个与时间有关的过程；根据运动热力学，对热力学第一和第二定律进行物理自然原理进行推导和证明，定义热力熵和热力的物理单位，导出运动热力学能量守恒方程。稳定工作状态下燃气轮机热力过程是不可逆非平衡态管道稳定流动的等容热力过程，根据运动热力学原理方法，对燃气轮机效率问题进行了分析解读。

1. 引 言

传统热力学将实验结果和观察到的现象总结成数学表述和定律[1,2]，其中最重要的是热力学第一定律和热力学第二定律；热力学第一定律表述了热力能与物体运动宏观动能的能量守恒关系，但由于传统热力学温度是一个观察和测量的标量，没有给出温度的物理单位，因此到目前为止，热力学第一定律仍然是未能通过任何自然原理推导和证明的热力能与物体热运动之间能量守恒关系的定律[2]；热力学第二定律给出了熵的单位为热量与温度之比，但由于温度没有具体的物理单位，因此到目前为止，热力学第二定律同热力学第一定律一样，仍然是未能通过任何自然原理推导和证明的定律[1,2]。

“场”是理论物理学的一个重要研究方法[3]，场力是一个“赝力” [3]，“赝力”的英文原意虚假的、不真实的意思，即“赝力”是一个假想出来的力。譬如一辆汽车在公路上行驶，在汽车内部有发动机的热力和机械力，在汽车的外部有轮胎与地面之间的摩擦力和空气对汽车空气阻力，理论物理学忽略这些真实的力，抽象地、假想地认为汽车受到一个推力，这个假想的推力就是一个基本的，与各种具体力无关的“赝力”。重力场重力可以是一个假想力[3]，同样道理，也可以假想物体在热力场内受到一个假想的“热力”。物理学无法精确地定义力是什么，力在不同的场合可以有不同的解释，在热力场力可以解释为热力，在引力场可以解释为重力，在电力场可以解释为电力；将所有具体的力抽象出来表达为一个相同意义的力，这个力就是一个基本的假想力：“赝力”，关于什么是力的更多的物理学解释，可参考文献[3]的相关章节。

假想热力场由两块相互水平平行的，面积巨大的温度保持不变的“平行薄板组成”[3]，两块薄板平板之间的平行空间是热力场空间；设热力场底部平板高度为热力场的零温度高度，热力场顶部高度为热力场的温度高度的最高温度，两块平板之间的温度差保持不变；热力场内任意点的温度等于该点在温度场的高度，热力场高度相同平面上的任意点的温度相同；定义热力场温度的物理单位和物理量纲为长度“米”；热力场的场力为热力，热力的方向总是由温度高处垂直指向温度低处；物体在热力场内在热力的作用下沿热力的方向产生垂直方向的位移运动，本文将物体热力能与物体运动之间的能量转换规律的研究称之为运动热力学。

热力场内的物体在热力的作用下产生位移，定义物体在热力场位移与时间之比为熵速度，定义热力为物体熵速度对时间的变化率；物体在热力场内的温度不同反映了物体的热力能的大小，定义物体在热力场的热力势能为物体物体质量与温度的乘积；物体在热力场运动而具有动能，热力场内物体的热力势能总是等于物体的动能[3]，即热力场能量守恒方程。

传统平衡态热力学是将热力过程作为可逆过程进行研究，过程的起点和终点是平衡态，但起点到终点和终点到起点之间的过程是非平衡态过程；可逆平衡态热力过程是一个无限缓慢而且是时间无限长的过程，但实际大多数热能机械是经过非平衡态有限时间的不可逆非平衡态热力过程；由于传统热力过程不考虑完成过程所需要的时间，因此传统热力学的熵的意义仅仅反映了热量变化的大小，而不能反映热量变化的快慢；传统热力学定义温度是一个相对量，是一个观察实验的结果，没有相应的物理原理证明和严格的物理单位，运动热力学将温度做为物体在热力场内高度位置的标识，是物体在热力场的热力势能大小度量，由此赋予了温度的长度的物理属性；当温度的物理单位为长度，又由于运动热力学将熵定义为温度（距离）对时间的变化率，从而给出了熵的距离移动速度物理属性和物理意义；在没有外力的情况下，物体在热力场的受力方向和熵的方向总是由温度高处指向温度低处，从而满足了热力学第二定律对热能自发传递方向的解释；在热力场内运动物体任意时刻的热力势能等于物体的动能，这是运动热力学对热力学第一定律的数学表述，它指出在热力场，物体的热能变化总等于物体的动能变化；工程上的热力过程大多是一个不可逆非平衡态开口系统热力过程，根据热力场能量守恒方程，导出不可逆非平衡态管道稳定流动热力过程能量守恒方程，根据热力过程能量守恒方程，对传统热力学可逆平衡态热力过程进行不可逆非平衡态运动热力学解读。

1. 热力场的物理性质

热力场如第一节所述，图1给出了热力场模型。

2.1 热力场模型

图1 顶部与底部分别为假想的两块相互水平平行的，面积巨大温度保持不变的“热平板”，顶部平板的温度高，底部平板的温度低，两块平板之间的空间为热力场空间，两平板间的温度差等于两平板间的高度差，热力场任意点的温度值等于该点的高度值，当热力场的高度单位为“米”时，相应的热力场温度的单位为“米”。

图1热力场底部平板的高度为零，是热力场零温度点。热力是热力场的场力，热力的方向总是由温度高处垂直指向温度低处。

3. 运动热力学

比体积为“1”的理想气体物体（本文所提到的物体，除有特殊说明，均为由理想气体构成的物体），该物体在热力场在热力作用下产生运动，若该物体在运动过程中的比体积保持不变，则该物体在热力场的运动遵循以下规律。

4. 关于热力引力统一场的思考

如果万有热力和万有引力是宇宙间普遍定律，那么对于一个外表包裹着理想气体的质量巨大和热量巨大高温球体，可以想象地认为在这个高温球体的周边同时存在着热力引力统一场（统一场），热力场热力的方向由球心指向宇宙，引力场引力方向由宇宙指向球心。

5. 比体积不变的不可逆非平衡态开口系统管道稳定流动热力过程

热力过程是研究热力能与机械能间能量转换的重要研究方法。传统热力学利用准平衡态方法，将不可逆、非平衡态热力过程近似地做为可逆的准平衡态过程进行研究。运动热力学是不可逆非平衡态开口系统热力学，因此可以利用热力场能量守恒方程，对不可逆非平衡态热力过程进行研究。

假定热力过程发生在一段管道中，并认为管道稳定流动过程是一个热力学系统，工质从管道的一端流入，从另一端流出，因此管道热力学系统是一个开口系统；若管道进/出口两端的热力学状态不同，则管道热力学系统是一个非平衡态系统；又由于工质从管道流出后无法再流回管道，因此工质在管道系统内稳定连续流动热力过程是一个不可逆非平衡态系统开口热力学系统；假设管道是一段水平管道，工质在管道内流动过程没有任何重力势能的变化，但由于热力系统可以在热力过程中与系统外部进行隔系统热力能交换，热力能交换的结果是工质温度的变化，工质温度的变化是工质的热力能变化；工质在管道内稳定流动受管道截面面积的影响，流速会发生变化，流速的变化会使流体的动能发生变化，因此管道稳定流动是一个不可逆非平衡态热力过程。

7. 燃气轮机效率研究历程

中国航空发动机和燃气轮机落后于西方发达国家，其中一个重要的原因就是有些基础理论问题没有解决，因此南京汽轮电机（集团）有限责任公司董事长、总经理沈群认为“对燃气轮机我们还只是知其然、不知其所以然”。自2018年在中国航空学会《第九届航空动力年会》发表论文“纤维网架复合材料涡轮/电机转子一体结构研究”至今，作者对提高燃气轮机效率问题历经四年时间的研究和探索，其研究历程和关键节点如下所述。

7.1 独立压气机结构燃气轮机问题的提出（2018年）

与其它热力机械相比，燃气轮机效率低的根本原因在于压气机功耗过大问题[]。为探讨降低压气机功耗过大问题，作者在2018年中国航空学会《第九届航空动力年会》发表论文“纤维网架复合材料涡轮/电机转子一体结构研究”，首次提出将压气机涡轮机分离的构想，图2为论文中“大半径涡轮机、发电机转子一体结构示意图”。做为一个问题的提出，当时是想通过“纤维网架复合材料涡轮/电机转子一体结构”降低涡轮转速，降低燃气轮机的制造难度，通过加大压气机进气面积，能够提高燃气轮机效率。随着研究进展，逐步认识到通过加大压气机进气面积提高燃气轮机效率，有许多热力学基础理论问题需要解决，这些热力学问题不解决，就无法证明通过加大压气机面积，提高燃气轮机效率是一个可行的技术方案。

7.3 绝热等熵压缩过程流速不变原理（2020年）

力学动静法得出燃气轮机在稳定工作状态下，任意时刻、任意截面上的推动功等于该截面流体的动能：Fv=0.5mv2 。根据这一结论，可以推断当一个绝热等熵压缩热力过程，如果过程两端的面积和压力不相同时，其两端的流速应该相等，否则不能满足能量守恒定律。为此，2021年再次写了论文“理想可压缩气体定速稳定流动原理及应用研究”，并投稿到航空类期刊，被退稿后以“电动压气机径向垂直进气冲压喷气式航空发动机及燃气轮机研究”发表在今日头条。通过这次探索和思考，认识到必须对燃气轮的基础理论热力学做进一步的研究，否则不能清楚地解释“等熵绝热过程流速不变”这一结论，而“等熵绝热压缩过程流速不变”这一结论是解释提高燃气轮机效率研究的关键问题。

8. 高效燃气轮机的应用远景展望

现在中国的发展已经到了一个关键的时刻，世界各国的竞争焦点聚焦在创新，特别是基础理论创新，而“运动热力学”在作者看来就是一个具有重要意义的基础理论创新。“创新决定了一个国家和民族的前途和命运”，如果读者对“运动热力学”研究有兴趣，欢迎通过今日头条平台进行交流，共同推进“运动热力学”研究。希望在同今日头条平台对以下研究领域与读者交流。

8.1 航空发动机领域；

8.2 燃气轮机发电，分布式能源领域；

8.3 燃气轮机汽车发动机，燃气轮机动力垂直起降飞行汽车，航海燃气轮机；

8.4 核动力燃气轮机原理，核动力航空发动机概念，核动力长航时飞行器；

8.5 核动力长航时自动飞行器空中通信基站应用，核动力长航时自动飞行器空中预警系 统；核动力长航时远程轰炸机。

欢迎读者对上述燃气轮机应用领域开展评论和留言，并对本论文存在的问题和错误提出宝贵意见，共同推进“运动热力学”和燃气轮机理论和实践的发展。

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