环境能发动机是否可以实现？

环境能指的是适宜人类生存的地球平均温度。地球所有的能量都来自太阳，没有太阳地球表面将下降到宇宙背景温度-269℃，这意味着我们周围充满了能量,这个能量对人类来说无限大。然而，迄今的热力学理论、方法、装置都不能有效利用环境能量来输出有用功以及电力。

历史上曾有许多试图利用环境能量做功的尝试。最为典型的是约翰·嘎姆吉于1881年为美国海军制造的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，氨在0℃气化时产生4个大气压的压强，可以推动活塞做功。加姆吉认为氨气在驱动活塞后因膨胀而冷却会自动冷凝，于是装置就可以无限循环地工作下去。但实验结果是汽化后的液氨无法重新液化，不能完成循环。

零发动机被认为是违背了第二热力学的开尔文表述:“不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响”。试图制造一种从海水取热做功的机器，这种做法不违背能量守恒但违背第二定律。第二类永动机不可实现。

人们承认零发动机可以从海水取热做功但无法持续，因为单一热源下气态工质无法放出潜热。至此事情变得简单明了，即第二类永动机能否实现只在于做功后的气态工质能否在膨胀过程放出潜热。

关于这个问题，有必要回顾气体液化的历史。1898年，实验物理学家卡末林·昂尼斯通过减压膨胀方法最终实现了氢气(沸点-252℃)和氦气(沸点-269℃)的液化。说明除温度之外压力也能够能改变物体状态。减压膨胀可以得到比常压沸点更低的温度，只要压降足够大。问题在于上述气体液化的压力是人为提供的，需要输入功。那么，哪种工质在环境温度区间本身有足够大的(蒸发)压力，同时其凝固点又相对高容易液化呢?回答是二氧化碳。

Co2临界温度31.1℃，临界压力7.39兆帕。其沸点-78.5℃(升华点)低于凝固点-56.6℃(三相点)。从三相点-55℃到临界点30℃的湿蒸汽区温差85℃，压力提高14.2倍。对应7.39兆帕压力，水蒸汽温度为289℃。7.39兆帕接近于发电厂高压锅炉出口的蒸汽压力。这意味着在环境温度下，借助Co2我们就可以获得足够大的压力来驱动膨胀机做功。

更为重要的是Co2膨胀机膨胀过程与通常的高压气体不同。高压气体主要靠体积膨胀输出功。CO2的膨胀过程主要是靠势能和气液相变输出功，体积变化不大。膨胀机膨胀为等熵膨胀，从不同膨胀机入口压力下膨胀过程的位置图看：跨临界Co2膨胀的等熵线始终在饱和液体线左侧的过冷液体区，即它膨胀的起始和终结都为液态。

根据中外学者所做的Co2膨胀机降压相变膨胀过程的可视化研究(高速摄影机拍摄)，Co2相变过程为超临界流体→高压液态→气液两相→固态。超临界到高压液态是势能蓄积阶段。气液两相是液态下气泡生成和生长的阶段，也是对外做功的主要能量源。随着压降继续增大，气泡逐渐变小直至溃灭，当压降到三相点或者沸点会生成固体颗粒凝华。

膨胀机是利用高压气体降压时对外输出机械功使工质温度降低原理以获得冷量的机械。膨胀机输出的功可直接作为机械、车、船的动力，也可进一步转化为电力。膨胀机膨胀为绝热过程，由于不能从外界获得能量，输出的功只能以工质的焓值(总热量)减少为代价。工质因能量减少而增加的吸热能力称为膨胀机制冷量，膨胀机制冷量指它在膨胀过程对外作功的大小。

对热机来说相变潜热会降低对外做功从而降低热机效率，对于膨胀机来说相变潜热反而会增加对外做功提高制冷效率。因为，膨胀机膨胀输出功是以工质的总热量(显热+潜热)减少为代价的。我们可以将膨胀机视同水能做功，压力下降为自发过程，压力提升为逆向过程。正是由于膨胀机膨胀对外输出功，因此可以获得最大程度的焓降。空气从0.6兆帕压降至0.1兆帕，理论温降80℃-90℃，同比压降节流膨胀温降只有1℃。

膨胀机效率等于实际制冷量除以理论制冷量，效率高低取决于膨胀机进口与出口之间的压差。如果将Co2蒸发温度对应的压力折算成相同压力水蒸汽对应的温度，膨胀机理论上遵守卡诺效率1-T2/T1。在表层海水25℃，膨胀机出口-55℃的工况下，采用Co2的零发动机经折算后的卡诺效率理论值达到60%(不加折算为28%)。效率高是因为膨胀机的出口温度(低温热源)更靠近绝对零度。

液态工质无法压缩，因此，无论膨胀机出口排出的是低温的高液相比两相流、液体或者固体(干冰为微雪花状)，都可以在较少耗能的条件下用螺杆压缩机将其送入换热器。这种压缩(推进)耗功不超过膨胀机膨胀功的5%(参考锅炉的给水泵)。液/固的气化/升华是吸热过程，产生的低温可以作为系统耦合的ORC循环的低温热源，高温热源可以是环境温度(其原理类似液化天然气气化发电)。

二氧化碳膨胀机膨胀过程以及利用膨胀制冷为低温热源的ORC循环都明确无误的表明从环境取热做功的所谓第二类永动机完全可能实现，Co2工质在膨胀机膨胀过程完成潜热释放的事实不可否认。实际，这个过程并没有违背热力学第二定律。膨胀机热功转换遵守卡诺效率，它的确产生了“其他影响”，即环境温降。

约翰嘎姆吉零发动机的失败与他选择的工质有关，更为根本的是历史条件限制。能够适应气、液以及两相的全流高压膨胀机制造有赖于高精度的5轴联动加工中心。发动机运行需要通过计算机以及大量传感器对工质压力、温度、流量进行控制。19世纪完全不具备起码的技术条件。分布式家用Co2全流膨胀机承压不宜低于10兆帕。尽管理论上没有技术障碍，但迄今国内外还没有开发出这样高承压的全流膨胀机。

实现22兆帕超临界压力需将水加热到374℃，同样压力Co2只要100℃，这意味着以Co2替代水为介质，发电燃料消耗可以减少70%。在热带、亚热带地区我们可以在地表和地下修建两条类似冰箱蒸发器盘管的换热器，地表部分向阳设置，地下部分深入地下5米，注入液态二氧化碳使其在两个换热器之间流动，通过膨胀机就可以利用太阳辐射能24小时高效率发电了，同时还可以获得与发电量等量的冷量。

现行的热力学循环包括热机循环和制冷循环都以环境为低温热源，系统向环境放热，这不仅需要高温热源，环境能量也注定无法被利用。Co2环境能发动机将现行热机的低温热源降低了一个台阶至环境温度之下，绝对零度以上的空间，使得环境温度成为高温热源，环境能量-太阳辐射能成为可直接利用的能源。