王興業(yè),申炳俊,金麗虹,周丹,田堅
(1.長春理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130022;2.長春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長春 130022;3.長春理工大學(xué) 理學(xué)院,長春 130022;4.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所,長春 130022)
自1989年以來,凝聚態(tài)核科學(xué)發(fā)現(xiàn)的含氘(氫)固體異常發(fā)熱現(xiàn)象[1]持續(xù)吸引著科學(xué)家的關(guān)注和研究。由于現(xiàn)有理論或者新提出的理論并不能很好的與其相匹配和實驗結(jié)果的不穩(wěn)定及不理想的重復(fù)率,造成了許多科學(xué)家對該領(lǐng)域研究持悲觀或否定的態(tài)度[2-3]。2011年,A.Rossi公開了H/Ni系統(tǒng)產(chǎn)生可利用的“過熱”專利[4],在國際上造成了很大影響。中國國家自然基金委員會因此設(shè)立國內(nèi)第一個重大非共識專項議題,集中“五校一所”的力量對H/Ni、D/Pd系統(tǒng)中的“異常發(fā)熱”進(jìn)行攻關(guān)。在之前的工作中[5],曾用等溫式量熱計在氘/鈀氣-固系統(tǒng)中測量到了百瓦級的“過熱”。由于等溫式量熱法僅通過測量系統(tǒng)內(nèi)外的溫度差來進(jìn)行過熱量級的計算,實驗結(jié)果受到外界環(huán)境的影響較大,導(dǎo)致測量的結(jié)果具有顯著誤差[6-7]。通過引入熱流式量熱計測量到了瓦級“過熱”[8]。不過在后續(xù)的分析中發(fā)現(xiàn),由于在標(biāo)定和觸發(fā)實驗中使用的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同,導(dǎo)致了量熱計中產(chǎn)生的能量并沒有被完全測量。所以本文對使用了不同種類氣體進(jìn)行標(biāo)定和觸發(fā)實驗過程中的測量誤差進(jìn)行了深入的分析和討論。
實驗系統(tǒng)以及使用的耗材詳見之前工作[9]。這里僅給出實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。其中:1為反應(yīng)室循環(huán)水浴入/出水口;2為反應(yīng)室(等溫式量熱法);3為過渡室;4為電容式真空計(英福康CDG025D);5為進(jìn)/放氣閥;6為閘板閥;7為渦輪分子泵;8為真空機(jī)械泵;9為反應(yīng)室(熱流式量熱法);10為航空插頭,外接Keithley 2700數(shù)據(jù)記錄儀及計算機(jī);11為大體積高功率熱流式量熱計。
圖1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
在首輪實驗中,為了避免其它金屬可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響,均使用鈀絲作為實驗系統(tǒng)的加熱絲和實驗絲。抽反應(yīng)室高真空后,充1大氣壓氮氣進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定方程為:
在進(jìn)行標(biāo)定實驗后,鈀絲在氘氣以及電流(溫度)的作用下不斷地反復(fù)進(jìn)行充放氘,發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行了若干次實驗之后,鈀絲發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。由于鈀絲的電阻率較大,在觸發(fā)實驗中,加熱鈀絲產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致航空插頭處溫度較高。為了增加加熱效率和降低實驗成本,在之后的實驗中,將加熱鈀絲更換為銅絲和電阻絲,電阻絲纏繞在反應(yīng)室內(nèi)陶瓷管上,使用銅絲將電阻絲連接到航空插頭上。在更換完加熱絲之后,重新通入氮氣對系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定,標(biāo)定方程如下:
之后進(jìn)行了若干次不同壓力、不同輸入功率下的觸發(fā)實驗,主要實驗結(jié)果如表1所示。
表1 不同壓力、輸入功率下的觸發(fā)實驗結(jié)果
由實驗結(jié)果可得,系統(tǒng)產(chǎn)生的過熱明顯減少,懷疑是由于在標(biāo)定和觸發(fā)實驗中使用的氣體的不同導(dǎo)熱系數(shù)影響了實驗結(jié)果。
為了驗證是不是氣體導(dǎo)熱系數(shù)的差異導(dǎo)致了系統(tǒng)測量到偽過熱。將實驗系統(tǒng)中的實驗鈀絲移除,選取導(dǎo)熱系數(shù)較高的氫氣和導(dǎo)熱系數(shù)較低的氮氣分別進(jìn)行標(biāo)定實驗。氫氣和氮氣的導(dǎo)熱系數(shù)在0℃時分別為0.163 W/(m·℃)和0.023 W/(m·℃)[10]。氣體導(dǎo)熱系數(shù)受壓力影響較小,由于氫氣和氮氣的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大,忽略壓力對氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。溫度對氫氣和氮氣導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖2和圖3所示。
圖2 氫氣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化
圖3 氮氣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化
由于實驗系統(tǒng)的限制,不論是標(biāo)定實驗還是觸發(fā)實驗,反應(yīng)室內(nèi)的最高溫度都不會超過500℃,反應(yīng)室內(nèi)的氣體壓力不會高于1.5個大氣壓。由圖2、圖3可以得出,在實驗中,不論條件如何,氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)都會大于氮氣的導(dǎo)熱系數(shù)。
分別向系統(tǒng)中通入1大氣壓的氫氣和氮氣進(jìn)行標(biāo)定實驗,得到系統(tǒng)的標(biāo)定方程分別為:
將兩個方程放入同一坐標(biāo)系中,即可看出它們之間的關(guān)系,如圖4(局部放大)所示。從圖中可以看出,量熱計要獲得相同感應(yīng)熱電動勢,在氮氣標(biāo)定下,所需輸入功率要比氫氣標(biāo)定下多。反過來,當(dāng)觸發(fā)實驗使用氫氣時,要達(dá)到相同的量熱計感應(yīng)熱電動勢所需要的功率就較小。而這一部分的功率差值,就視為了系統(tǒng)釋放出的“過熱”功率。用氮氣的標(biāo)定方程減去氫氣的標(biāo)定方程,得到量熱計熱感應(yīng)電動勢與標(biāo)定功率差(偽過熱功率)之間的關(guān)系,如圖5所示。由圖5可知,隨著量熱計電動勢(輸入功率)的增加,這種標(biāo)定功率差(誤差)也隨之增加,也即系統(tǒng)的偽過熱也隨之增加??梢哉J(rèn)為觸發(fā)實驗中計算得到的“過熱”功率是不真實的結(jié)果。
圖4 氫氣和氮氣標(biāo)定方程之間的關(guān)系
圖5 熱量計電動勢與標(biāo)定功率差間的關(guān)系
一個理想的量熱計會把量熱計內(nèi)部釋放的熱量完全感知并測量。但在實際情況中,量熱計總會由于一些原因無法將內(nèi)部的熱量完全收集到,導(dǎo)致一部分熱量在測量前逃逸到了系統(tǒng)之外,一個高精度的量熱計會盡可能將這部分熱量降到最低。由于實驗中使用的熱流式量熱計的結(jié)構(gòu)以及標(biāo)定和觸發(fā)實驗中使用了不同導(dǎo)熱系數(shù)的氣體,導(dǎo)致了不同氣體標(biāo)定實驗下,未收集到的熱量產(chǎn)生了差異。在用導(dǎo)熱系數(shù)較低的氮氣作為標(biāo)定氣體,用量熱計測量氫(氘)氣與材料之間的反應(yīng)熱,那么在反應(yīng)室溫度高于環(huán)境溫度,就會出現(xiàn)錯誤的過熱能量,也即標(biāo)定實驗中未測量到的熱量比觸發(fā)實驗中未測量到的熱量大。由實驗數(shù)據(jù)可以得出,在低輸入功率下,這種差異并不明顯,但隨著輸入功率的增加,這種差異顯著放大。由于實驗裝置的限制,無法輸入更高的功率來驗證這種猜想。而在Rossi的專利中,僅使用空氣進(jìn)行標(biāo)定實驗,用氫氣進(jìn)行觸發(fā)實驗,用等溫式量熱法計算系統(tǒng)的“過熱”功率。如圖6所示。
圖6 Rossi專利中設(shè)備溫度隨時間關(guān)系
圖7為消耗電能和反應(yīng)裝置釋放出的熱能間的關(guān)系。從圖7可以得出,隨著消耗能量的增加,系統(tǒng)產(chǎn)生的能量也隨之增加。這與之前實驗所得到的,隨著輸入功率的增加,系統(tǒng)的“過熱”也隨之增加的結(jié)論一致。這與Rossi的專利描述的內(nèi)容基本相同,可以有理由認(rèn)為Rossi當(dāng)時并沒有考慮到系統(tǒng)因標(biāo)定氣體和實驗氣體熱導(dǎo)率不同造成的測量誤差,并且其測量到的“過熱”實際上是一種偽過熱
圖7 Rossi專利中設(shè)備產(chǎn)生能量和消耗能量之間的關(guān)系
通過實驗可以得出,量熱計的精度對其中氣體的熱導(dǎo)率敏感。這是因為,能量可以通過氣體從產(chǎn)生能量的地方移動到別處,并在測量前逃逸到系統(tǒng)之外。如果使用與研究氣體不同的氣體標(biāo)定這樣的量熱計,即研究氫氣行為時,用氮氣校準(zhǔn),由于兩種氣體的導(dǎo)熱率差異,將發(fā)現(xiàn)僅由此產(chǎn)生的明顯的額外能量。換句話說,不管溫度如何測量,只要熱量在測量前從量熱計中逃逸,都會產(chǎn)生同樣的誤差。通過實驗,了解到了這種誤差產(chǎn)生的原因,可以使用以下過程來減少誤差:
(1)在無樣品或含有惰性物時,分別用氮氣和氫氣標(biāo)定量熱計。
(2)在觸發(fā)實驗中,將其結(jié)果與氮氣標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比較。如果沒有觀察到變化,可以使用基于氮氣的標(biāo)定結(jié)果。如果結(jié)果產(chǎn)生變化,可以使用基于氫氣的標(biāo)定結(jié)果。
(3)使用與觸發(fā)實驗中所用氣體導(dǎo)熱系數(shù)相近的氣體進(jìn)行標(biāo)定實驗,如氦氣。
由于標(biāo)定實驗和觸發(fā)實驗中使用了不同熱導(dǎo)率的氣體,導(dǎo)致當(dāng)用氮氣的標(biāo)定結(jié)果時,量熱計在測量涉及氫(氘)氣的反應(yīng)時會產(chǎn)生顯著的誤差,這個誤差可以被誤解系統(tǒng)產(chǎn)生的額外能量,并且它隨輸入功率(溫度)升高而增加。由此對Rossi專利中測量到的過剩能量提出了質(zhì)疑。采用與觸發(fā)氣體導(dǎo)熱系數(shù)相近的氣體做標(biāo)定可以減小此類誤差。