一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，主要包括底座、循環(huán)運(yùn)動裝置、多個分布在循環(huán)運(yùn)動裝置周圍在外力作用下轉(zhuǎn)動的彈性柱體以及與彈性柱體對應(yīng)的用于限制彈性柱體運(yùn)動的障礙體，所述循環(huán)運(yùn)動裝置及彈性柱體均與底座活動連接，所述障礙體均設(shè)置在彈性柱體的同一側(cè)，使彈性柱體單向撞擊循環(huán)運(yùn)動裝置。本實用新型是按照理想機(jī)器經(jīng)放大后制作的一個肉眼可正常觀測的模擬裝置，其可以通過定軸轉(zhuǎn)動的彈性柱體單向撞擊循環(huán)運(yùn)動裝置，使其持續(xù)單向旋轉(zhuǎn)，以這樣的方式把“一個氣體系統(tǒng)中的漲落轉(zhuǎn)化為定向轉(zhuǎn)動的機(jī)械能”制作的一個放大模型，并成功的模擬了其過程，證明了“微觀顆粒從無序運(yùn)動到有序運(yùn)動”的正確性。
【專利說明】一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于物理實驗裝置領(lǐng)域，具體涉及一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 早在1901年，用布朗運(yùn)動實驗證實了原子存在的佩蘭已指出布朗運(yùn)動是一種可 逆過程，因此會導(dǎo)致短暫或局部的熵減，而這無疑對熱力學(xué)第二定律提出有力質(zhì)疑。但眾所 周知，之后對此（漲落導(dǎo)致的熵減）進(jìn)行的研究就銷聲匿跡了。因為普遍認(rèn)為熱力學(xué)第二 定律是一種統(tǒng)計規(guī)律，僅適用于大范圍情況。既然是"統(tǒng)計規(guī)律，適用于大范圍情況"那么 為什么沒有進(jìn)一步深入研究微觀過程呢？導(dǎo)致這一進(jìn)程終止的就是"麥可思韋妖"的出現(xiàn) 及影響。1867年麥可思韋在致友人泰特的信中提到"一個有限的生靈，它單憑觀察就能通 曉所有分子的軌跡和速度，但除了開關(guān)一個小孔外，不能做功。它守住容器界壁上的小孔， 讓快速運(yùn)動的分子單向穿過小孔，導(dǎo)致熱的部分變得更熱，冷的部分更冷。無需做功，只用 了一個敏于觀察、手指靈巧的生靈所具有的智能。"這一生靈被開爾文稱之為"妖精"。
[0003] 麥可思韋妖的實質(zhì)是微觀顆粒從無序運(yùn)動到有序運(yùn)動的引導(dǎo)者。
[0004] 這也是為什么開爾文強(qiáng)調(diào)"妖"的三個方面：生氣勃勃，尺寸微小和具備智能。但最 終那個時代的科學(xué)家得出結(jié)論：麥可思韋妖接收有關(guān)分子快慢的信息之后，再通過閘門來 使快慢分子分離來減少系統(tǒng)的熵，但信息的取得同樣會使系統(tǒng)中的熵增加，最后相互抵消。 正是這一結(jié)論的得出，使對麥可思韋妖的思考先入為主的與"信息取得必須消耗能量"相關(guān) 聯(lián)，從而使對布朗運(yùn)動可逆過程的研究無意義可言而停滯不前。
[0005] 所以，由于種種原因?qū)е铝饲叭藢ξ⒂^顆粒從無序運(yùn)動到有序運(yùn)動的設(shè)想最終并 沒有得到驗證及肯定。 實用新型內(nèi)容
[0006] 為了解決上述問題，本實用新型提供了一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，該 實驗裝置用于驗證微觀顆粒從無序運(yùn)動到有序運(yùn)動的設(shè)想。
[0007] 本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案來具體實現(xiàn)：
[0008] -種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，主要包括底座、循環(huán)運(yùn)動裝置、多個分布在 循環(huán)運(yùn)動裝置周圍在外力作用下轉(zhuǎn)動的彈性柱體以及與彈性柱體對應(yīng)的用于限制彈性柱 體運(yùn)動的障礙體，所述循環(huán)運(yùn)動裝置及彈性柱體均與底座活動連接，所述障礙體均設(shè)置在 彈性柱體的同一側(cè)，使彈性柱體單向撞擊循環(huán)運(yùn)動裝置。
[0009] 進(jìn)一步的，所述循環(huán)運(yùn)動裝置為一圓盤，圓盤通過主轉(zhuǎn)軸與底座活動連接，彈性柱 體通過對應(yīng)的側(cè)轉(zhuǎn)軸與底座活動連接。
[0010] 進(jìn)一步的，所述圓盤由硬質(zhì)材料制成。
[0011] 進(jìn)一步的，所述圓盤與彈性柱體均通過滾動軸承與對應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸和側(cè)轉(zhuǎn)軸連接。
[0012] 進(jìn)一步的，所述循環(huán)運(yùn)動裝置為帶傳動機(jī)構(gòu)，主要包括傳送帶及帶輪，帶輪通過對 應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸與底座活動連接，傳送帶兩端安裝在帶輪上，彈性柱體通過對應(yīng)的側(cè)轉(zhuǎn)軸與底 座活動連接，彈性柱體單向撞擊傳送帶。
[0013] 進(jìn)一步的，所述帶輪與彈性柱體均通過滾動軸承與對應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸及側(cè)轉(zhuǎn)軸連接。
[0014] 進(jìn)一步的，所述彈性柱體由能恢復(fù)形變的彈性材料制成。
[0015] 進(jìn)一步的，所述障礙體為剛性柱狀結(jié)構(gòu)，底端固定在底座上。
[0016] 本實用新型一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，該實驗裝置是按照理想機(jī)器經(jīng) 放大后制作了一個肉眼可正常觀測的模擬裝置，由于同為宏觀物體的裝置，并遵循經(jīng)典力 學(xué)的規(guī)律，那么就可以認(rèn)為布朗顆粒大小的裝置與肉眼可觀察的裝置具有完全的等同性。 本實驗裝置可以通過定軸轉(zhuǎn)動的彈性柱體單向撞擊循環(huán)運(yùn)動裝置，使得循環(huán)運(yùn)動裝置（轉(zhuǎn) 盤、傳送帶）持續(xù)單向運(yùn)動，以這樣的方式把"一個氣體系統(tǒng)中的漲落轉(zhuǎn)化為定向轉(zhuǎn)動的機(jī) 械能"制作的一個放大模型，并成功的模擬了其過程，證明了"微觀顆粒從無序運(yùn)動到有序 運(yùn)動"的正確性，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，喻理直觀，清晰明了的有意效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 下面根據(jù)附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018] 圖1是本實用新型一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置一實施例的主視圖；
[0019] 圖2是圖1的俯視圖；
[0020] 圖3是圖2中沿著A-A方向的剖視圖；
[0021] 圖4是圖2中沿著B-B方向的剖視圖；
[0022] 圖5是本實用新型一實施例起始狀態(tài)圖；
[0023] 圖6是彈性柱體單向撞擊圓盤一段時間后的狀態(tài)圖；
[0024] 圖7是本實用新型一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置一實施例的理論原理圖；
[0025] 圖8是圖7的局部圖；
[0026] 圖9是布朗顆粒與圓盤碰撞作用力圖示；
[0027] 圖10是圓盤在布朗顆粒沖力作用下轉(zhuǎn)過的角度；
[0028] 圖11是本實用新型一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置另一實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0029] 圖中：1_底座；2-圓盤；3-彈性柱體；4-障礙體；5-滾動軸承；6-主轉(zhuǎn)軸；7-側(cè)轉(zhuǎn) 軸；8傳送帶；9-帶輪。

【具體實施方式】
[0030] 實施例1
[0031] 如圖1-4所示，本實用新型實施例所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置， 主要包括底座1、循環(huán)運(yùn)動裝置、多個分布在循環(huán)運(yùn)動裝置周圍在外力作用下轉(zhuǎn)動的彈性柱 體3以及與彈性柱體3對應(yīng)的用于限制彈性柱體運(yùn)動的障礙體4,循環(huán)運(yùn)動裝置及彈性柱 體3均與底座1活動連接，障礙體4均設(shè)置在彈性柱體3的同一側(cè)，彈性柱體3在外力（布 朗運(yùn)動）作用下轉(zhuǎn)動時，障礙體4用于限制彈性柱體3,使彈性柱體3單向撞擊循環(huán)運(yùn)動裝 置。
[0032] -種優(yōu)選的實施方式，循環(huán)運(yùn)動裝置為一圓盤2,圓盤2通過主轉(zhuǎn)軸6與底座1活 動連接，彈性柱體3通過對應(yīng)的側(cè)轉(zhuǎn)軸7與底座1活動連接，圓盤2由硬質(zhì)材料制成，優(yōu)選 為尼龍或金屬材料制成；圓盤2與彈性柱體3均通過滾動軸承5與對應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸6和側(cè)轉(zhuǎn) 軸7連接；彈性柱體3由能恢復(fù)形變的彈性材料制成，優(yōu)選為聚氨酯棒，障礙體4為剛性柱 狀結(jié)構(gòu)，底端固定在底座1上。
[0033] 如圖5-6所示，以人手不斷的撥動彈性柱體3,彈性柱體3在順時針轉(zhuǎn)動時因受障 礙體4的阻擋不能與碰撞圓盤，當(dāng)逆時針轉(zhuǎn)動時，彈性柱體3不斷與與圓盤碰撞，并導(dǎo)致圓 盤持續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，這也就意味著，彈性柱體3的動能轉(zhuǎn)化為圓盤的機(jī)械能。
[0034] 實驗裝置的實驗原理：針對熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換即布朗運(yùn)動導(dǎo)致一個孤立熱力 學(xué)系統(tǒng)熵的減少的理論推導(dǎo)如下：
[0035] 以真空系為例，首先對圖7、圖8理想實驗做假設(shè)，如圖7所示：
[0036] 圖中：B為真空系統(tǒng)；1^π :阻止布朗顆粒逆時針與圓盤碰撞的障礙點；ai_m :長方體 完全彈性布朗顆粒；〇 :無摩擦力可轉(zhuǎn)動的剛性圓盤。
[0037] 1.首先假定圓盤〇為剛性可無摩擦力轉(zhuǎn)動的圓盤，布朗顆粒apayayaa......am 為完全彈性物體，碰撞后可恢復(fù)形變。
[0038] 2.圓盤0可以是一個圓柱體，而布朗顆?？梢匝貓A柱體表面無限分布。
[0039] 3.圓盤0是系統(tǒng)B中的可繞軸心無摩擦轉(zhuǎn)動的宏觀剛性圓盤，它的尺寸比布朗顆 粒大出若干數(shù)量級。
[0040] 4.長方體布朗顆粒&1，a2, a3......是與系統(tǒng)A (系統(tǒng)A為充滿氣體的熱 力學(xué)孤立系統(tǒng)）中布朗顆粒相聯(lián)動，并假定其中心位置由一無摩擦力的轉(zhuǎn)軸固定，因聯(lián)動 而不停的做布朗運(yùn)動（擺動）。
[0041] 5.圖8為圖7的局部放大圖，我們假定圓盤0與布朗顆粒a之間的固定位置（距 離），可以確保a因做布朗擺動而不停碰撞圓盤0,碰撞點為P。
[0042] 6.圖7中K點為障礙物4, K的作用是阻止所有布朗顆粒逆時針碰撞圓盤0,但不 影響順時針的碰撞。
[0043] 下面來闡明這個理想實驗的過程及結(jié)論。
[0044] 如圖9所示，首先考察al因做布朗運(yùn)動與圓盤0在P點的碰撞。
[0045] 在&1與圓盤0短暫的碰撞時間At內(nèi)，必然產(chǎn)生一個沖力，圓盤0在沖力的作用 下，轉(zhuǎn)化一個極小角度Δφ (就如同氣體中懸掛的反射鏡偏轉(zhuǎn)）。由于沖力是變力，它隨時 間變化的關(guān)系難以確定，為討論方便，我們?nèi)_力的平均值。（見圖9、圖10)
[0046] 圖9中：r為從圓心〇至碰撞點ρ的半徑；F為碰撞時的作用力；F2為垂直作用于 r的分力。
[0047] 圖10中，P為力的作用點；Δφ為圓盤轉(zhuǎn)過的弧度；φ為點p的位移。
[0048] 見圖9,垂直作用于r的分力匕推動圓盤0轉(zhuǎn)過一個角度Δφ，分力F2
[0049] F2 = Fsin α
[0050] 由于沖力是變力，隨時間變化的關(guān)系難以確定，況且此問題并不需要了解每一時 刻力的變化，因此也就不需變力矩所做功
[0051]

【權(quán)利要求】
1. 一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：主要包括底座、循環(huán)運(yùn)動裝置、 多個分布在循環(huán)運(yùn)動裝置周圍在外力作用下轉(zhuǎn)動的彈性柱體以及與彈性柱體對應(yīng)的用于 限制彈性柱體運(yùn)動的障礙體，所述循環(huán)運(yùn)動裝置及彈性柱體均與底座活動連接，所述障礙 體均設(shè)置在彈性柱體的同一側(cè)，使彈性柱體單向撞擊循環(huán)運(yùn)動裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：所述循 環(huán)運(yùn)動裝置為一圓盤，圓盤通過主轉(zhuǎn)軸與底座活動連接，彈性柱體通過對應(yīng)的側(cè)轉(zhuǎn)軸與底 座活動連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：所述圓 盤由硬質(zhì)材料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：所述圓 盤與彈性柱體均通過滾動軸承與對應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸和側(cè)轉(zhuǎn)軸連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：所述循 環(huán)運(yùn)動裝置為帶傳動機(jī)構(gòu)，主要包括傳送帶及帶輪，帶輪通過對應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸與底座活動連 接，傳送帶兩端安裝在帶輪上，彈性柱體通過對應(yīng)的側(cè)轉(zhuǎn)軸與底座活動連接，彈性柱體單向 撞擊傳送帶。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：所述帶 輪與彈性柱體均通過滾動軸承與對應(yīng)的主轉(zhuǎn)軸及側(cè)轉(zhuǎn)軸連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在 于：所述彈性柱體由能恢復(fù)形變的彈性材料制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種熱力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動轉(zhuǎn)換實驗裝置，其特征在于：所述障 礙體為剛性柱狀結(jié)構(gòu)，底端固定在底座上。
【文檔編號】G09B23/16GK203849917SQ201420279417
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】李紀(jì)軍 申請人:李紀(jì)軍