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。

NHE的其他学者认为迈尔斯测量的传热系数不对。他们认为应该降低温度，这意味着没有超热。我将在下面的“§10.5. 关于何时以及如何测量传热系数的争论”部分进行讨论。

[1] 这是本实验中等温外套量热法测得的最佳结果。在实验的最后一天，驱动电解池到沸腾，用相变量热法测得峰值时产生118 W的超热。

[2] 这比《简单》论文中的方程（如下所述）更容易理解。其中一些项是负的。文中说：“像往常一样，正值代表增加到系统（量热电解池）上的能量，负值代表耗散到周围环境的能量。”弗莱希曼可通过标记哪个为负数来简化该过程，但他很少做得使读者更容易理解。我已经为负数添加了减号。

7. 第二阶段的相变（沸腾）量热法

冷聚变量热使用两种相变：从冰到水的变化（融化）和从水到蒸汽的变化（汽化）。杜福尔（Dufour）等[47]报道了在冰量热计上用毛细管测量融化冰的体积（随着冰融化，体积减小。冰体积大于水，所以能漂浮于水上）。在其他冰量热计中，直接测量融化冰中的水。弗莱希曼和庞斯[4]、朗查姆普特等[15]、朗查姆普特和比伯里安[16]报道了沸腾量热法。沸腾相变量热法将沸腾水的重量乘以汽化热——普通水为2259 J/g或44 kJ/mol，重水则为2064 J/g或41 kJ/mol——来量热。
《简单》文中描述的实验在等温外套量热阶段之后，通过提高电解功率来增加超热，从而加热阴极。这会触发正反馈。然后可以关闭电源。弗莱希曼在ICCF会议的演讲中对此进行了描述，但我认为在他们的出版物中并未明确说明，这是一个严重的疏漏。他们应该弄清楚是如何触发沸腾的。他们说了一般意义上的正反馈，并且写了很多当温度在热脉冲后没有回到基线时，热脉冲如何表明发生了正反馈。但我不记得有一篇论文列出了他们用来触发沸腾事件的特定功率水平、温度和脉冲持续时间。比伯里安和朗查姆普特还通过电解加热电解池以引发沸腾。在他们的情况下，他们没有在选定的时间打开电源。他们让它自行增加。该电解池通常在0.5 A的恒电流模式下运行。电解池由硼硅酸耐热玻璃（Pyrex）制成，因此从其中浸出了一些二氧化硅。各种化合物（包括二氧化硅和锂）逐渐沉积在阴极上。沉积物阻止电流通过，因此电压升高。随着电压升高，输入功升高，温度也升高直到沸腾。[17]
与等温外套法相比，沸腾量热的方法很简单，因此论文的标题为《简单》。
一旦电解池以正反馈方式增加冷聚变超热并驱动到沸腾，它将持续沸腾到所有水蒸发且电解池变干。
一半水沸腾大约需要10分钟。我们知道这么长时间是因为他们制作了事件的延时视频并在屏幕上带有时间戳。触发沸腾的时间是已知的。在视频中可以清楚地看到沸腾结束的时间，所有水都从电解池中蒸发了。录像中显示了视频的静止图像。该视频在YouTube上网址为https://www.youtube.com/watch?v=Tn9K1Hvw434。可惜这是一个旧的录像带视频并经多次转录，因此质量下降并且图像模糊，但仍可以看到沸腾事件何时开始和结束。视频与计算机采集的温度和电解池输入功率数据同步。弗莱希曼和庞斯解释说：由于可以在操作的任何阶段重复地快退和快进视频记录，因此也可以对电解池内容进行合理准确的估计。我们选择在这种类型的电解池中对D₂O的后半部分的蒸发/沸腾进行计时，这使我们能够针对沸点区的操作进行特别简单的热平衡计算。
下面是《简单》论文[4]中的计算结果，我的注解为蓝色字体：
计算方式
输入焓
电解 = (E_cell − 1.54) ×电解池电流 × 时间[1] ~22,500 J。E_cell是电解池电压；1.54是重水的热中性电动势。
输出焓
向环境的辐射 ≈ k_R'[(374.5 K)⁴ - (293.15 K)⁴] × 600 s = 6,700 J。基于斯忒藩-玻尔兹曼定律，表面辐射是开氏温度的四次幂。在这种情况下，由表面积得出并通过标定确认的传热系数乘以电解池温度的四次方减去水浴温度的四次方。这就是功率（W），因此在这里乘以600秒（10分钟）即可得到能量（J）。
蒸气携带≈ 2.5摩尔 × 41 kJ/摩尔 = 102,500 J。也就是说，将2.5摩尔重水（45 g）乘以重水的汽化热。
焓平衡
焓差值 ≈ 86,700 J。超热
焓输入率
电解，22,500 J/600 s = 37.5 W。在沸腾事件期间的电解输入功率。这已高估，因为当水位下降到阳极和阴极以下时，电源中断。
焓输出率
向环境辐射，6,600 J/600 s = 11 W。11 W是在事件期间，从电解池到水浴的辐射功率。
在蒸气中，102,500 J/600 s ≈ 171 W。171 W作为蒸汽而带走
焓差额产率
超额率 ≈ 144.5 W
超热比率 ≈ 144.5 W/0.0392 cm³ ≈ 3,700 W/cm³。功率归一化到单位体积钯

我们知道这是异常的冷聚变热，其原因如下：
随着沸腾的继续，水位下降到阳极和阴极以下，因此在电极之间无法形成电流。电解停止，但是沸腾仍在继续，直到所有水都蒸发为止。在空白测试中，更高的电解功率足以维持沸腾，但当水位下降到阳极和阴极以下时电解停止的同时沸腾也相应停止。在电解池底部会残留一些水，不会沸腾至干。
将固定阳极和阴极位置的聚三氟氯乙烯（Kel-F）塑料支撑件熔化。在空白测试期间，由于沸腾停止，塑料支撑件仍在水下。但它不会融化。Kel-F塑料在300°C时熔化，因此阴极必须高于该温度，这就是水持续沸腾直到全部消失的原因。
我们知道，沸腾的热量来自阴极。沸腾电解池的另一个特写视频显示，在阳极上没有形成沸腾的气泡，只有电解气泡。这两者截然不同：电解产生的气泡很小，并且以稳定的速度离开表面，就像汽水中的二氧化碳气泡一样。沸水气泡更大，离开也更突然（可惜没有该视频，但它确实如此显示）。在通过高功率电解进行空白蒸发测试期间，在阳极和阴极上均形成沸水。
我们知道几乎所有水都以蒸汽形式离开电解池。一些怀疑者推测未煮沸的水以泡沫或雾滴的形式从电解池中逸出。如果有足够的未煮沸水离开电解池，这将大大降低蒸发焓。当未煮沸的水从电解池中逸出时，它会携带锂盐，因此可以通过测量蒸发后电解池中的锂来估计有多少雾滴逸出。弗莱希曼和庞斯做了这个工作，发现仅损失了少量的锂，不足以显著减少汽化热。
在两篇论文中对这一点进行了讨论，但他们彼此矛盾。首先是1990年，说有些锂少了，这使得用相变量热法难以估计焓：[3]
但是，在此阶段无法对[蒸发期间]的热输出进行定量估计，因为电解池和仪器不适合在该条件下进行估计。还应注意的是，尽管电解电压最初会降低（与猝发情况相同），但当电解池被驱动至沸点时，电压通常会随时间而增加，这可能是由于电解质随雾滴离开电解池。
比伯里安也报道说，在沸腾过程中，一些锂随雾滴损失了。[18]
另一方面，1993年的第二份报告说，锂的损失可以忽略不计。也许他们在写这篇文章时重新评估了电解池中残留的锂：[19]
道格拉斯·莫里森（Douglas Morrison）首先提出一个问题，即在强加热的后期，部分电解池内含物是否可能以液滴的形式被带走。通过滴定电解池残留内含物可以很容易地解决这个问题：根据我们先前的工作，回收了约95％的残留氘氧化锂。在这种“侵略性”物质与玻璃组分的反应中，无疑会损失一些，从而形成无法滴定的残留。

8. 第三阶段的冷却曲线分析

电解池沸腾后有时会保持高温，持续时间从几小时到一天不等。弗莱希曼和庞斯将此阶段称为“死后发热”（heat after death）。《简单》论文描述的死后发热持续了3小时。
在此阶段没有输入功率。因为没有电解质，所以阴阳极间也没有电流。如果一个物体比周围环境更热，当没有功率输入且该物体内部本身不产生热量时，它必然冷却。根据牛顿冷却定律，冷却曲线是单调的，这意味着它总是下降而从不上升。
在本文所述的死后发热期间，电解池内部不会按照牛顿定律所述方式冷却。相反，它在某温度下保持一段时间，然后温度上升。我们知道钯阴极是电解池中唯一产生热量的物体。可以通过将冷却曲线与使用铂和重水的空白测试进行比较来估算热量。
图7显示了空白测试的冷却曲线。冷却迅速开始，然后逐渐减慢，直到曲线在11,000秒（3小时）变得几乎平坦。冷却是单调的。

[1] 弗莱希曼原文中少写了“时间”，此处补上。——译者注

图8显示了死后发热期间的冷却曲线。该事件持续的时间更长，大约32,000秒（9小时）。它以快速冷却开始，但在大约15,000秒时冷却趋于平稳，然后在18,000秒时反转。电解池开始变热而非变凉。之后，电解池逐渐冷却，但速率比空白电解池低得多，这意味着它会产生超热。在25,000秒时，又有一次反转。再一次，电解池产生的热量多于它耗散到周围环境中的。最后，在34,000秒时，它开始以与空白电解池相同的速率冷却，这意味着阴极不再产生超热。