弗莱希曼和庞斯量热法述评—杰德·罗斯韦尔
2020-11-06 17:38:20   来源:冷聚变世界   评论:0 点击:

本文介绍了弗莱希曼(Fleischmann)和庞斯(Pons)在实验中使用的量热方法。从1989年到1993年,他们发表了一系列论文,描述了三种量热方法:等温外套法、相变和冷却曲线分析。


[美]杰德·罗斯韦尔(Jed Rothwell)著,张武寿 译
LENR-CANR.org,2020年8月
原文网址:http://lenr-canr.org/acrobat/RothwellJreviewoftha.pdf

 
摘要

  本文介绍了弗莱希曼(Fleischmann)和庞斯(Pons)在实验中使用的量热方法。从1989年到1993年,他们发表了一系列论文,描述了三种量热方法:等温外套法、相变和冷却曲线分析。这些结果在沸腾实验中达到高潮,当时电解池产生了超过100 W的超热,并在没有输入功率的情况下保持高温达数小时。1996年,庞斯报道了另一系列的实验结果,使用回流量热计测得反应产生高达101 W超热并持续70天。
本概述供普通读者阅读。它包括等温外套量热法、相变和其他方法的定义,如何进行标定的讨论以及弗莱希曼和庞斯的设备和方法的一些高级功能。

  一些怀疑者声称这些量热方法不可靠或存在争议,本文也评述了其中的一些反对意见。
 
1. 作为实验核心的量热


  量热计就是测量热的仪器。各种量热方法对于冷聚变研究至关重要。
 
  为什么量热如此重要?其原因正如弗莱希曼所言,“热是反应的主要标志。”如果未检测到热量,则很可能没有冷聚变反应。冷聚变的主要核产物是氦。氦产量小,难以检测[1]。冷聚变也很少产生放射性。

  这完全不同于等离子体聚变。等离子体聚变反应除产生与典型冷聚变实验一样多的热量外,还会产生大量贯穿辐射,从而杀死无防御的观察者。因此,使用辐射探测器确认反应要比通过量热确认容易得多。而这也成了怀疑者们提出的第一个反对意见,直到今天仍然如此。本文下面将会讨论。

  热也是冷聚变最重要的特征,因为它证明反应是核而非化学的。该热量称为“超热”(excess heat)或“超焓”(excess enthalpy),因为在电化学技术中,通常会有输入功率,而输出热超过了输入热。尽管在某些情况下,没有输入功,只有输出热。
正如弗莱希曼和庞斯在其首篇论文中指出的那样,该反应每克产生的能量比任何化学反应都要多:钯电极的焓产生可以超过10 W cm-3并维持120小时以上的实验时间,在此期间释放的典型热超过4 MJ cm-3(按电极体积计算)。这只能是核过程,其他任何原因都是不可想象的。[1]


  汽油产生的热量在所有常用化学品中已是最高的,达0.034 MJ/cm3 [2]。换句话说,首次报道的冷聚变实验产生的热量是相同体积任何化学燃料的118倍[3]。随后实验产生的能量高达约300 MJ,比任何化学反应高约10,000倍,约略估计是燃烧装置所在实验台而产生的热量[4]。冷聚变不仅产生比化学反应更多的热量,而且电解池中没有化学燃料,也未发生化学变化,只有实验开始时形成氘化钯算是化学变化,而其中的势能可忽略不计。

  一些批评家声称,热测量不是检测核反应的有效方法。这是不对的。这些人习惯了使用粒子检测器的现代方法。他们忘记了放射性首先是用量热法进行研究的。马丁·弗莱希曼指出,居里夫妇和其他人首先表明,镭产生的热量不可能是化学的,因为它超过了化学极限,并且镭中没有化学变化。居里夫人描述了它是如何产生热量并且没有可检测的化学或物理变化的:镭具有自发和连续释放热量的显著特性。镭盐固体会产生大量的热,每克镭盐每小时释放一百卡路里。换句话说,镭可在一小时内融化等重量的冰。当我们思考镭的这种连续作用方式时,我们对产生的热量感到惊讶,因为它无法用已知的化学反应来解释。镭显然保持不变。如果那样的话,我们假设它已经发生了转变,因此我们必须得出结论,变化非常缓慢;一个小时之内,不可能通过任何已知方法检测到变化。

  由于放热,镭的温度始终高于环境。如果采取措施防止镭散热,则可以通过温度计确定这一事实。——《世纪杂志》1904年[5]量热也是从事冷聚变工作时要理解的重要主题。因为量热计本身是实验的组成部分,它起着促进或抑制反应的作用。钯体材料的电化学冷聚变实验取决于拥有合适的钯材,正确制备并充入高浓度氘[2]。如果掌握了这些知识并且成功触发了反应,则常常可以通过提高温度来增强反应。你需要为此目的设计量热计,以允许更高的温度。某些类型,尤其是等温型,将阻止温度升高,从而抑制反应。这也抑制了正反馈,弗莱希曼和庞斯认为正反馈很重要。
 
2. 四种量热方法


  弗莱希曼和庞斯在最初的实验中使用了等温外套量热法,下面将对此详细介绍。
他们后来进行了一系列实验,在实验的前两到三周内逐渐出现超热。在超热确立后,增加电解功率。这会加热阴极并触发更高的热量,导致电解池中的水在约20分钟内蒸发掉,从而使电解池干燥。在这些测试中,他们使用了三种量热法:
  1. 沸腾前的等温外套量热法。
  2. 水沸腾时的相变量热法。
  3. 蒸发完后的冷却曲线分析。
  数年后,庞斯开发了一种具有测量连续沸腾功能的等温外套回流(reflux)量热计。
  弗莱希曼和庞斯在许多论文中讨论了这些方法。对于等温外套热量法可参阅:
文献[3] Fleischmann, M., et al., Calorimetry of the palladium-deuterium-heavy water system. J. Electroanal. Chem., 1990. 287: p. 293.

  相变蒸发实验描述于下文:
文献[4] Fleischmann, M. and S. Pons, Calorimetry of the Pd-D2O system: from simplicity via complications to simplicity. Phys. Lett. A, 1993. 176: p. 118[6]
  下文详细介绍了蒸发完后使用的冷却曲线方法:
文献[5] Pons, S. and M. Fleischmann. Heat After Death. in Fourth International Conference on Cold Fusion. 1993. Lahaina, Maui: Electric Power Research Institute 3412 Hillview Ave., Palo Alto, CA 94304
  等温外套连续沸腾回流量热计的描述在此:
文献[6] Roulette, T., J. Roulette, and S. Pons. Results of ICARUS 9 Experiments Run at IMRA Europe. in Sixth International Conference on Cold Fusion, Progress in New Hydrogen Energy. 1996. Lake Toya, Hokkaido, Japan: New Energy and Industrial Technology Development Organization, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan.

  “回流”是指水蒸气被冷却,再凝结成水,然后流回到电解池中。
 
3. 第一阶段使用的等温外套量热法


  弗莱希曼和庞斯主要使用等温外套量热法。作为初级近似,当将该方法应用于狭窄温度范围内的稳态反应时很容易理解。有人警告读者,弗莱希曼和庞斯在更困难、更复杂的反应中使用了它。弗莱希曼和庞斯这么做自有其道理。
 
  等温外套量热计通常是一个盛水[7]电解池(试管)。图1显示了弗莱希曼和庞斯在法国IMRA实验室开发的ICARUS系统电解池。弗莱希曼给日本札幌的新氢能(NHE)实验室送了一个并附带详细的使用说明。迈尔斯(Miles)后来是该实验室的访问学者,他在一个实验中使用了该电解池。迈尔斯、弗莱希曼和伊麦姆(Imam)对结果进行了分析[7-9]。


[1] 在D-D反应中1 g氘聚变会产生345,000 MJ的热量。多项研究已证实氦产生。这极具挑战性,因为氦含量极少,而氦在大气中无处不在。
[2] 这忽略了燃烧汽油所需的氧气,那会降低每立方厘米的能量。汽油产生44 MJ/kg,密度为0.78 g/cm3。它每克所产生的能量几乎与异种火箭燃料一样多,后者是迄今为止设计的能量密度最高的化学品。
[3] 如按单位质量计算,冷聚变会产生的更多的热,但计算复杂。钯不参与反应,它没有改变。钯中的氘聚变成氦,如上所述,最好的估计是它产生的热量与等离子体聚变释放的相同:345,000 MJ/g。关键是一个很小的物体产生远远超过任何化学反应所能得到的热量。它就像一根燃烧数周的火柴。
[4] 不是整张桌子。文献[5]描述了在158天内产生294 MJ的一个实验。该热量等价于燃烧29公斤木材。一张木制实验室台重约36公斤。
[5] “一小时即可融化等重量的冰”是指冰相变量热。我假设居里是这样确定每克镭放热为100卡/小时的。100 cal/h是0.116 W。他们的样品是0.129 g氯化镭(RaCl2),这是重量百分比为76%的镭(即0.1 g镭),因此产生12 mW。我假设居里观察到每小时融化约0.1克冰,即33 J,或33 J/3600 s = 0.009 W(9 mW)。现在怀疑者有时声称无法测到这种毫瓦级热量,但是1898年没有人,今天也没有人怀疑居里夫妇和其他能干的科学家可以放心地测得这一热量。当然,冷聚变热通常高于输入功率,而输入功率可以非常准确地测量并减去。
[6] 此链接的论文已发表于ICCF-3会议文集,内容与Phys. Lett. A中相同。(本文简称该文为《简单》——译者注)
[7] 本文主要讨论重水电解系统,文中说到电解池中的水或水位时通常指重水,氢也多指氘。——译者注

图1. 弗莱希曼和庞斯使用的ICARUS-2等温外套量热型电解池。上部真空套内是镀银镜面,下部是透明玻璃。大致按比例绘制[10]。
 
  要量热,首先得标定。将电加热器放入电解池中,通电到某固定功率,然后查看电解池达到的温度。之后,将钯阴极放入重水电解液中。需要查看电解池是否比在标定时相同功率下更热。如若这样,说明它通过冷聚变产生了超热。通常将电解池放置在恒温水浴中,有时也放置在控温的大气环境下。弗莱希曼和庞斯通常使用所谓的“空白”测试进行标定,即在重水中使用铂电极电解进行对照测试[11]。铂不会产生冷聚变。

  图3显示了来自初级量热计(rudimentary calorimeter)的数据。这是在环境空气中冷却的试管(电解池[1])。试管中有水、电阻加热器和热敏电阻(见附录A)。开始时电解池与环境空气温度相同。加热器以1.1 W的功率打开。测试约140分钟后,电解池中水温会升高直至稳定。它比周围空气(右轴)热并稳定在4.5°C温差。在200分钟时,功率增加到1.7 W。到270分钟时,电解池温度已比周围空气升高了7.2°C。

  4.5°C和7.2°C的稳定温差是标定点。他们与其他测试的另外三个点一起添加到标定曲线(图3)中。标定曲线应该是线性的并与坐标轴上原点(0, 0)相交。否则就是量热计出了问题。


[1] 下面几段中的电解池(cell)其实就是试管,其中并未发生电化学过程。——译者注
 

  应在一定的温度和功率范围内控制电解池的热损失并保持一致。在一个适当构造的量热计中,在约20°C范围内,响应是线性的。即对于每瓦特的功率,温升相同。绘制一条标定曲线(图3),得到传热系数(也称为标定常数),在这种情况下为4.0°C/W,或0.25 W/°C。设想在冷聚变测试中输入2.0 W,温升11°C(图3,橙点)。它在标定曲线上方,根据传热系数,可确定电解池总输出功率为2.8 W(11°C × 0.25 W/°C)。也就是说,输入功为2.0 W,超热为0.8 W。

  每个电解池都有不同的标定常数,这主要取决于电解池的绝热程度。绝热越好,每瓦特输入功率的温度变化就越大。该系数是在标定期间以几种不同功率水平测量的,包括低于和高于实验预期输出热功率的水平。

  精心设计的量热计将在每次输入相同的功率时回到相同的温度。它应该在合理的时间内(可能是一个小时左右)达到该温度。绝热太差的电解池可能要花费数小时甚至一天的时间,这很笨拙。校准和测试都将花费很长时间。

  量热计是设计在给定的功率水平和温度范围内工作的。高于或低于该范围,它可能无法正常工作。图4是迈尔斯给出的曲线,显示了当功率低于预期范围(此仪器约为0.6 W)时会发生的情况。在较低功率时,来自电解池盖的热损失开始占主导地位,曲线急剧变化。[12]

  在低功率下,噪声也是个问题。可以分辨0.1 W的量热计也许能可靠地测量1.0和1.1 W间的差别但却无法精确测量0.0与0.1 W间的差异,这就是因为噪声的干扰。
 
  总结一下,下面是海明格(Hemminger)和霍恩(Hohne)严谨的教科书[13]对等温外套量热法的定义,我的评论用蓝字表示:
  “等温外套”操作是指在恒温环境中使用量热计,且待测系统的温度可能不同。待测系统与周围环境之间存在热阻Rth,等温量热计的热阻无限小,等温外套量热计的热阻是有限值···而绝热量热计的热阻则无限大···由于存在有限的Rth,它以明确的方式取决于TM(待测系统的温度)和TF(电解池外环境温度)···由于TF在等温外套量热中恒定,因此热流量仅是TM的函数,这种关系通常是线性的,可以通过标定确定。值得注意的是,待测系统的温度(TM)通过与周围环境进行热交换而变化,直到建立平衡为止。此过程需要一段时间。在一定的运行时间后,待测系统(如长寿命放射性样品)中不断产生的热量导致温度TM恒定···

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