“变位能”及其开发前景

乌鲁木齐市电业局  宋学让

　　论文摘要：通过对一道例题的重演，阐明了由于缺少一个物理概念导致的错误，因而阐明了沉降和浮升的动力学原理，进一步阐明了大气压力跟随功原理。在此基础上提出了“构想中的超效采暖站”，令大气压跟进功成为取之不尽的能源。由于对超效采暖站原理的深入研究，完成了《压缩与膨胀热力学》一书的著作，书中提出了包括大气压力跟随功原理在内的三大原理体系。该书已由中国水利水电出版社出版，并在全国发行。
　　序言：
　　所谓“变位能”即是由于物体高低位置变化伴随的能量变化，除了固体位变伴随的动能和势能变化外，还包括流体位变伴随的动能势能变化和势能变化时的能量转移。
　　1．沉降和浮升运动的动力学原理（缺少一个物理概念导致的错误）
　　括号内的标题是原标题，曾经是《科学中国人十年优秀论文选》推荐的一篇论文。
　　当我们阐明了缺少的这个物理概念之后，也就阐明了沉降和浮升的动力学原理，才能对沉降和浮升运动的计算趋于完善，才能进一步解释更多的问题，并开辟一片新天地。
　　问题产生于流体力学与质点动力学的交界面上。在二十多年前发现这个问题时，把例题按照自己的概念重新作了一遍，留存至2000年冬季才将稿件投寄于“科学中国人”杂志社。
　　我觉得错误产生于物理概念的不全。在科学上，问题的大小在于它的性质，概念的不全就是原理上的片面性。
　　2. 大气压力跟随功原理
　　2.1 由沉、浮动力学原理到大气压力跟随功原理.由于气体具有明显的压缩性,物体在空气中的沉、浮运动,不能简单套用以上公式，但是需要的是概念明确，需要理解压缩过程中空气势能在变化,空气被压缩时,活塞上方的空气柱在下移,下移的气体势能在减少,这是不能忽视的。
　　身居大气压力这个海洋中，察不出大气势能的变化。我们在大气中的一切运动，不论乘车乘船，不论骑车步行，或者升空飞行，我们只知人或物体到达了什么地方，而不曾想过，我们的一举一动都在和相等容积的空气交换着位置。运动中如果没有高度上的变化，也就没有势能的变化。如果位置有所升迁，人或物体的势能就在增加，而同容积的空气的势能则在减少。相反的，如果人或物体的位置有所降迁，则其势能在减少，同容积空气的势能在增加。
　　在我的著作《压缩与膨胀热力学——热力学的另一半》[2]一书的第一章揭示了气体压缩与膨胀过程中的大气压力跟随功。压缩中存在着大气压力跟进功，膨胀中存在着大气压力跟出功。也就是大气压力可以做功,但不能独立地做功,必须伴随一种过程,因此称为“大气压力跟随功”。压缩过程是一种能量投入过程，也是能量的获得过程,如果机械能的投入是连续的，超额热量的获得亦是连续的,超额热量的主要来源是大气压力跟进功。这是整个物理学尚未明确的原理。此原理的提出，可为人们利用“大气压力跟进功”提供可能，这一原理是1990年发现的，是一环扣一环地发展过来的。
　　2.2 气柱随活塞的推进而助推
　　压气机活塞在推进时大气压力亦在助推,如图2所示;
　　活塞上方有一个气柱,这个气柱一直延伸到大气层顶。在压缩过程中，空气柱跟随下移。虽然事实上不只是一个气柱，但需要假设为一个气柱,这个气柱的总重量就是作用在活塞上方大气的总压力。当活塞向下推进时，整个气柱亦跟随下移。如果活塞下面是真空，气柱猛烈下移，活塞被迫下冲，气柱势能转化为冲击功。
　　气柱的跟随下移将导致气柱势能的减少，气柱势能减少不是没有成效的，气柱势能减少量，等于受压缩气体内能的增加量，即
P₁sh=P₁V=ΔＵ                      (10)＊

　　全文公式序号( )★为作者提出的修正式或新式。
　　式中内能ΔＵ不仅是热内能,还有密度内能,在第四章中说明了它的定量关系,P1为环境大气压，s为活塞截面积，h为活塞下移距离,sh=V, P1V就是大气压力的功,(热力学中一般不使用动能公式mv2/2)。
　　当活塞由下向上返回时，因为被压缩气体尚未膨胀，气柱并不上移。活塞在返回时，活塞上下均为一个大气压，外界新气进入气缸，等待下一个行程受压缩。
　　可以想像,在我们抽真空的时候是多么艰难,那是因为我们在将一个沉重的大气柱向上推移。大气压力跟随功是一个隐蔽的伴随者，其原理并非轻松地一眼可见，但在讨论了气柱势能变化之后，便可为人们所接受。
　　2.3 传统热力学对大气压力跟随功尚无正确认识
　　本人发现了与自己观念不同的文献，即《热工学底理论基础》【1】一书中的４－２节压气机的功，也提到了大气空气的功，那里的概念含糊。文中结合示功图作了说明。书中是这样叙述的。如图3所示:
　　工作过程这样开始，被压缩的气体即大气中的空气,经过阀Ｋ进入气缸，并推动活塞由左向右运动，线４－１表示进入气缸中空气容积的增加。在这种情形下压力保持不变。然后由于作用到活塞杆的外力，使空气沿着１－２线被压缩。在这以后，于定压下经阀门Ｌ将压缩空气排入容器中。线２－３表示气缸内空气容积的减少。书中的关键性论述是：在活塞右面的大气空气的功，当活塞由左向右运动时是负的功，而当运动由右向左时是正的功，且在两个活塞冲程后，即在轴的一转后等于零。因此这个功我们不加以计算。在示功图中，４－１－７－５－４这个矩形面积是大气空气的功，由于这个功在轴的一转后等于零而未予计算。
　　2.4 大气压力跟随功根本原理的发现
　　那是1990年,在细读上面一段叙述中，觉得其中的说理不能接受，在反复思考之后，终于认为其中有一个隐蔽的原理尚未揭示。上面一段中本无下滑线，作者加上了下滑线，表示这段话有问题。这就说明对大气压力跟进功要做到真正理解并非易事。本文的分析与上述不同，在图4中,轴的一转后，其功并非为零, 当活塞由左向右运动时，阀Ｋ打开,空气进入气缸，活塞左右两面压力相等，均为一个大气压，此时活塞是空行程，并未做功,即当活塞自左至右运动时,右面在排气,左面在进气,相当于排出的空气沿着外周环路右出左进,所以活塞并未对大气做功，仅作流动功。
　　也就是，在活塞退出时大气未做负功,原理在于活塞右边排出的空气未曾占领环境空气的空间位置,其实，只有在排出的气体推开环境气体并将大气向后推移时, 大气压力才会做负功，然而压气机不存在这种情况，压气机活塞并没有被压缩空气反推回原位。
　　当活塞运动方向自右向左时，大气压力随活塞的推进而做着大气压力跟进功。压缩行程结束时，受压缩气体已进入气罐，对活塞不具有反弹力，由阀门Ｋ进入的新气,只有一个大气压，形成了活塞左右两面压力相等，空气既不做正功,亦不做负功。活塞靠机械惯性返回起点。这里对流动功不作分析。
　　2.5 如何算这个热量账
　　2.5.1 我们不能拥有热量　我们研究大气压力跟随功的最终目的是利用它,准确地计算开口式热泵的制热系数。受压缩气体献出多少热量，在气体膨胀时又要讨回它曾经献出的热量。是呀！人们不能拥有这个热量，要利用的只不过是热量的趋散过程（能量的下滑过程）。由于被压缩气体接纳了跟进功，整个压缩功大于机械压缩功,而压缩过程出现的热量值等于全部压缩功的值，制取的热量值中也有大气压力跟进功的功劳。
　　2.5.2 此地借用彼地归还：对于大气压力跟随功，人们首先会想到， 既然过程中具有大气压力跟进功，终会有大气压力跟出功。还有什么意义呢？然而,事实上不能笼统地如此分析，因为跟出功是在被压缩气体膨胀时才会出现。在热量输出后，气体的膨胀不是在气缸中进行,而是在排气管的出口。对于制热而言，被压缩气体放热处是我们利用热量之处，而膨胀气体的吸热在异地进行，放热和吸热不在同一地点，放热是我们所关心的，吸热是我们不关心的。气体（工质）输出的热量将由吸热端的环境给予补偿。
　　输出热量Ｑ 是要回归大自然的，但那是在输出热量被我们利用之后的事。也就是，此地借用彼地归还，或者说，热量被我们利用之后再行归还,也就是借于环境的此处,归还于环境的彼处,如图5所示
　　2.6　开口过程与闭口过程的不同
　　所谓开口过程是指工质的出入连通着大气，也就是工质取自环境（空气），又在工艺流程的尾端回归环境，而不像目前制冷设备那样，将工质封闭在循环系统中，与环境气体隔绝。在闭口系统中，由于活塞的左右两面均为制冷剂，活塞的两面与大气不接触，所以全部压缩功必须由压缩机提供。在开口系统中，进入气缸的空气有来无回，大气不断的补缺，气缸外界的空气减少，也是大气势能的减少，大气势能的减少量，就是受压缩气体内能的增加量。
　　2.7双重压缩功和双重膨胀功
　　压缩功和膨胀功的代号为W,其他功的代号为L。当具有压力的气体推动机械做膨胀功时，其实在做双重的功，除对机械做功外，还对大气做功，大气压力跟出功的值是：

L_C＝P₁(Ｖ2－Ｖ1 )  焦耳(J)或千焦(KJ)   (11)＊

　　式中P₁=1.01325×10⁵Pa （标准大气压），Ｖ为容积（m³），序号(  )＊为作者提出的式子。

当压缩机在压缩空气时，大气压力也在做着跟进功,其值是：    

  L_G＝－Ｐ₁(Ｖ1－Ｖ2)　　    (J)或(KJ)　　(12)＊

　　式（11）中下角标C是出字的声母,式(12)中下角标G是跟字的声母。
　　本书大部分字符有确定的含义,在文末的符号说明中有注释。
　　假设活塞的外面是真空——不存在大气压力的话，膨胀功就只有机械功，而不存在大气压力跟出功；相反的,压缩功就只有机械压缩功，而不存在大气压力跟进功，所以压缩功必须完全由压缩机提供。
　　2.8 大气压力跟进功及其示功图
　　2.8.1 凡是对环境气体进行压缩的过程，均具有大气压力跟进功: 不论等温过程、绝热过程和多变过程，只要压缩是开口过程，均包含着大气压力跟进功，这里仅以等温压缩过程予以计算分析。

现将2m³空气等温压缩为1m³，计算其等温功： 　若P₁＝101325Pa ， V₁＝２ｍ³，V₂＝1m³   

W_D＝（101325）×2ｍ³×Ln（1／2） ＝140.4663功 KJ

　　设环境大气压力始终为P₁,所以压缩功中的大气压力跟进功为：

L_G ＝P₁（V₁-V₂）=101325×（2-1）=101.325 功KJ

由于压缩机出力由受压缩气体的表压力计算，不能包括大气压力，那么，作用于被压缩气体的机械力是由零升到了一个表压力。压力变化的轨迹是一条向下的曲线。所以压缩机所做的功就是图（6a）的A区。即

L_J＝140.4663-101.325=39.1413功 KJ ，（L的下角标J为机字的声母），在以下的示功图中将会证明大气压力跟进功这个值包含在压缩功W_D中。

如图（6b）所示。Ｖ₁＝２ｍ³,Ｖ_２＝１m³，当活塞由右向左移动到1/2行程时，2m³被压缩为1m³，由于压缩是等温过程，压力由P₁＝101325Pa升至P₂=2×101325Pa，也就是它的表压力由0升到了1

在PV图中，阴影Ｂ区为大气压力跟进功L_G， L_G=101.325功KJ;阴影Ａ区为机械压缩功L_J，L_J=39.1413功KJ，全部压缩功为W_D＝ L_G+L_J=101.325+39.1413＝140.4663功KJ。由于压缩比很小,等温线向下弯曲,Ａ区小于Ｂ区的1/2。也就是说在等温功‘公式中’包含有大气压力跟随功的值。

被压缩气体的膨胀在异地进行，大气压力跟出功亦在异地伴随着膨胀过程，此时也是归还大气压力跟进功的过程，但这种归还过程不需要我们付出机械功，需要归还的只是被我们利用过的热量。

　　2.8.2  为什么说在等温功‘公式中’包含有大气压力跟随功的值   等温功公式(13)为

　　Ｗ_D＝P₁V₁Ln（V₂／V₁）,咋看起来，好像它就是机械压缩功，但在公式中Ln的前面是P₁V₁，而不是P₁(V₁-V₂)。在热力学书籍中，有的作者把公式W=P₁V₁Ln（V₂/V₁）直接视为机械净功,视为图6a的A区，有的书中则把机械净功视为该图A区和B区的和。
　　为什么会发生这种混乱现象，关键在于不明白大气压力也在为我们做功。以上两种情况各有其理：第一种情况是因为，既然大气无功，机械净功就应该是A区；第二种情况的理由是,‘压缩过程放出的热量必须等于压缩功’，因而，把公式定为式（13）,但另一方面不明白压缩功里含有大气的功,所以,只能把式(13) 视为机械净功。再一方面,等温功公式(13)是结合实验确定的,等温压缩功的量必须等于热量。又由于在公式上和试验上的关联，绝热压缩过程的功W=（K-1）^-1（P₁V₁-P₂V₂）与多变压缩过程的W=（m-1）^-1（P₁V₁-P₂V₂）均等于它的热量。
　　现在需要说明等温功公式中包含着大气压力跟随功，为了说明这一点，还需首先说明全部压缩功Ｗ_D＝P₁V₁Ln（V₂／V₁）与基本压缩功P₁V₁之间的关系
　　等温压缩功与基本压缩功之间的关系： 为了说明这个关系，需要绘制等温功原理示功图:
　　（1）求不同压缩比的压力P₂，为了计算简明起见，设大气压力为 P₁=1×10⁵pa=100kpa   V₁=1m³， 由于P₁V₁=P₂V₂，可求出不同压缩比的P₂值。

　即当：V₂=0.75m³时,  P₂=133.3333kpa;         V₂=0.6m³时,     P₂=166.6667kpa

V₂=0.5m³时,   P₂=200kpa;              V₂=0.4m³时,     P₂=250kpa

V₂=0.36788m³时,  P₂=271.82777kpa;      V₂=0.25m³ 时,    P₂=400kpa

V₂=0.2m³时,    P₂=500kpa              V₂=0.1m³时,     P₂=1000kpa。

　　因而可做出等温功原理示功图7:
　　（2）求各个压缩比上的全部压缩功：压缩功的基本数据是P₁V₁，此处称其为基本压缩功。此例中基本功的值为P₁V₁=100kpa×1m³=100功KJ。

      ①  当V₂=0.75m³时,    W_D=100×1×Ln(0.75/1)=100Ln^-0.287682=-28.7682功KJ

      ②  当V₂=0.50m³时,    W_D=100×1×Ln(0.50/1)=100Ln^-0.693147=--69.3150功KJ

      ③  当V₂=0.36788m³时 W_D=100×1×Ln(0.36788)= 100Ln^—1=-100功KJ

      ④  当V₂=0.25m³时    W_D=100×1×Ln(0.25/1)= 100Ln^-1.386294=-138.6294功KJ

      ⑤  当V₂=0.1m³时     W_D=100×1×Ln(0.1/1) =100Ln^-2.302585=-230.2585功KJ

　　在上述第⑤例中,基本压缩功为P₁V₁=100KJ,全部压缩功为230KJ,是基本功的2.3倍。

但最值得一提的是V₂是一组数, 图7可绘制成任一V₂值的不同图案,显示不同的压缩功的值, 但图7只绘出了V₂=0.36788m³时的压缩功(阴影),在此情况下全部压缩功W_D等于基本功P₁V₁=100kpa×1m³=100功KJ。由该图可见,阴影面积2-3-5-6-2(W_D)严格地等于阴影面积1-2-3-4-1(P₁V₁),这就足以证明全部等温功是基本功的倍数，倍数就是自然对数的指数。在V₂＞0.36788m³时，倍数小于1，在V₂＜0.36788m³时，倍数大于1。

此外,仔细研究还可证明；在等温功Ｗ_D中包含大气压力跟随功P₁(V₁-V₂)的值。在此例中大气压力跟进功为双重阴影2-3-5-7-2，其值为L_G=100kpa（1m³-0.36788m³）=100×0.63212=63.212功KJ,此例中机械压缩功L_J= W_D-P₁（V₁-V₂）=100-63.212=36.788功KJ。 这就是等温功W_D中含有大气压力跟随功的最好证明。

　　有用的公式，不完整的物理思想： 图7也是等温功的示功图,等温功公式是热力学第一定律和自然对数的应用，该公式对计算热量是正确的,但是，物理思想是不完整的，只有在揭示大气压力跟随功原理之后,才能用图7去理解对等温功公式的分析,才能最终承认大气压力跟进功在等温功中所占的分量。

　　2.9  把大气压力跟随功的原理点透　

    热机(蒸汽机和内燃机)工作时不断向外界排气。把水变成蒸汽时，体积增大一千六百多倍，其实热机是在大气层的底部增加大气的总量。我们可以想象一个盛水容器，如果在盛水容器的底部增加水量（注入水），容器中水位将会上升，水位上升就是水势能的增加，增加的势能必定来自注水时携带的能量，这就是说，注水时也在做着跟出功（水压力跟出功）。如果容器是空的,水的注入是轻而易举的。然而对于原来盛有水的容器则不同，容器底面水压愈大,注水时所需能量愈大,如图8所示。

盛水容器中水位高10m,容器截面均匀，水的截面积为10dm²（平方分米）或者1000cm²（平方厘米）,底部水压为1kgf/cm ² ， 共重1000Kg。若将其分割成为10个水柱,每个水柱重量为100 kg。图中虚线为其中一个水柱,如果这个水柱是在管子中,在底部向这管子注入1kg水时,水柱高度增加0.1m,注水时带入的功,就是这个水柱重量G与上升距离h的积,即  Gh=100Kg×0.1m=10Kg-m, (正如手上托物上举时在做功)。如果这假设的水柱并不存在,即成为10个水柱,此时,注入1Kg水时,容器中每个水柱均在上升,在计算注入的功量时,便有水柱的数目n的参与,即Gnh,  式中水柱总重量为G·n=100Kg×10=1000Kg,但这10个水柱上升的距离减小到十分之一,所以注入1Kg水所做的功不变,即

             Gnh=100Kg×10个水柱×0.01m=10Kg·m 。

　　因此,可以总结出一个等式:         G₁n₁h₁=G₂n₂h₂                    (14)＊

　　式中,G₁n₁h₁ 为只有一个假设的水柱时,水势能的变化;而G₂n₂h₂ 为任意个截面相同的水柱时,水势能的变化。所以，用假设的水柱阐述原理是不会错的。所以在讲述大气压力跟随功的原理时,把活塞上方设想为一个直通大气层顶部的气柱亦属同理。 因此,热机排气时也在做着大气压力跟出功,把一部分能量消耗在增加大气势能上 。相反地,压气机把气体容积缩小,减少了大气的势能.大气势能的减少量被受压缩气体所接纳,即大气压力的功跟进了受压缩气体之中。

　　2.10 汽化热中包含大气压力跟出功   

水在受热汽化时，容积增加一千六百多倍，它排开并占领了原属于空气的空间，这是要对抗大气压力做功的，所以汽化热中要包括这个功。

１Kg水的容积Ｖ₁＝0.001m³,在100℃下汽化并得到相同温度及压力下的蒸汽，则容积

　　Ｖ_２＝1.673m³,要排开大气的容积为 Ｖ₂-Ｖ₁ ,排开大气所做的功为                

　　 P₁(V₂－V₁)＝101325(1.673-0.001)＝169.4154KJ

　　水的汽化热为2256.6885KJ/Kg.所以真正用于汽化的热量为：

　　Q_汽化=2256.6885-169.4154=2060.2731KJ/Kg。

　　2.11　热机的实际效率为什么比卡诺热效率低得多

　　由热量Q₁和 Q₂构成的热效率公式经推导后形成了以温度表示的公式   

　　式中 t为热机热效率，对于蒸汽原动机，温度大约为550℃，最低的温度约25℃，在此温度段中,卡诺的热效率为: 

　　对于内燃机可取最大的温度极限:  t₁ =2000℃，t₂=300℃,由此，卡诺循环的热效率为  

但实际上,在最有利的情形下，蒸汽机效率达到～30%，而内燃机效率达到～35% 。  

2.11.1  实际热效率低下的第二根本原理:  卡诺热效率是所谓的热效率的上限(这是热效率低下的一个原理)，但与实际效率的差值如此之大？必定是由于原理上的不全,除了机械结构上的原因所形成的损失之外，还存在着第二根本原理,即大气压力跟出功亦在分享着膨胀功。蒸汽机气缸内的气体一次次地推动着活塞外移，输出机械能，在做机械功的同时，还将大气向外推移，而做着大气压力跟出功，排气管排出的乏气一次又一次地排开环境空气，并占领环境空气原有的空间，因而增加了被排开空气的势能，这是热机热效率比卡诺热效率低得多的又一根本原理。

　　2.11.2   对卡诺热效率公式的修正意见： 我们知道,卡诺循环热效率公式是  

　　这是卡诺热效率的上限（任何巧妙的设计都不可能超过此限），式中Ｑ₁为工质进入热机的含热量，Ｑ₂为工质离开气缸时的含热量。但是此限定得太高，因为还有另外的重要因素——大气压力跟随功。此处以蒸汽机为例，蒸汽在做机械功的同时，还在排开环境气体而做功
　　Ｐ₁（Ｖ₂－Ｖ₁），式中Ｐ₁为环境大气压，Ｖ₁为新汽容积，Ｖ₂为在工作室(气缸)中膨胀后的容积。所以热效率公式应修正为

此式才是热效率的上限。

　　这是由新汽进入热机到废气离开热机时的热效率。全过程的热效率是由水的汽化开始，一直到蒸汽压力降至环境大气压时的热效率,公式形式不变,不过此时的Ｖ₁是水的容积,V₂是蒸汽压力降至环境大气压时的容积。

　　3、构想中的超效采暖站及其前景

 目前的封闭系统制冷,效果良好，在最佳情况下，能效比为1∶4,(目前国内有达到到1∶6)只是在环境温度较低时制热系数太低，当环境温度低于-5⁰C时,效果较差，当环境温度更低时制热系数将会小于1，倒不如用电炉加热。本文提出的超效采暖站是开口系统，气体在压缩中有大气压力跟进功^[1]的介入，这是源头上增益。此外本方案设置了力能反馈装置，是能量充分利用的方案,本方案具有超高制热效果的原理有三点：1是在开口系统中，大气压力跟进功亦成为能源的一部分;2是热量的温位升迁功原理^[1]；3是本方案具有力能反馈装置，实现了功、热皆利用。

　　3.1  超效采暖站的初步方案 

本采暖站的结构原理如图9所示。主压缩机1和电动压缩机4以及膨胀功回收机7可以是活塞式的,也可以是叶轮式的,图中所示为叶轮式的; 磁联轴器２与两轴之间没有机械联系,而是用励磁电流建立的力的联系; 力能补给电动机5是带动电动压缩机工作的,是二次压缩机,在正常运行中它向系统补给能量; 热量输出器6即热交换器,是将管内流动的热空气的热量传递给管外的工质,受了热的工质流向热用户; 图中膨胀功回收机7类似汽轮机,将有压气体的膨胀势能转化为机械能并带动传动装置8;  传动装置8(皮带轮)带动主压缩机3,替代启动电机1的工作。

当启动电机１转动后，通过磁联轴器２带动主压缩机３，主压缩机将入口空气压缩到约3.5倍后，又送到电动压缩机４去完成4:１的压缩。具有较高温度的出口空气进入热量输出器６。输出了热量的气体又进入膨胀功回收机７,做了功的常压低温空气排出室外。膨胀功通过‘膨胀功反馈装置’8反馈到主压缩机3，去压缩新进的空气。

系统启动后反馈功逐渐增强,当反馈的机械功充分发挥作用后，便可停止“启动电机”的工作，与此同时，关断磁联轴器2的励磁电流，解脱压缩机３与启动电机１之间力的联系，膨胀机７代替了启动电机１的工作。系统的持续运转靠电动压缩机４补给能量。

除了超高效之外，这种采暖站还可解决两大矛盾，一是采暖锅炉在燃料上的浪费和对环境的污染，二是当热力供应过于集中时，因管线过长而导致热量的无谓损耗。

超高制热效果原理有:  1.大气压力跟随功是超高能效比的首要原理。2.气体在压缩中的温位升迁功原理. 3气体在压缩中的功、热对抗关系。第一原理已在第二节叙述，以下简述第二和第三条原理。

　　3.2  关于热量的温位升迁功。 温位升迁功原理是高制热系数的又一条重要原理。这个原理是由查里定律推论的。查里定律是，温度每升高1⁰C，气体的压强增大0⁰C的1/273。

在这里，我们对温度的概念应从小度转入大度—— 一个梯度。如果基础温度是273.16K，当温度升到273.16℃时，温度就变化了一个梯度。

气体的基础热量，是标准状态下气体所含的热量。基础热量就像池中水，当我们用水桶从池中提水时，水位的升迁好比热量的温位升迁。这桶水露出水面时就出现了高度差,此时我们对这桶水所做的功就是水的重力与提升高度的积——mgh。相似的，热能的变化也决不能只论其热量而不论其温度变化。当这桶水提升的高度为h的1/273时（当然也可是1/x），就相当于将受压缩气体的温度推升了1℃。当我们把这桶水提升到脱离水面时，就相当于水的位置变化了一个梯度h。

在我们计算热量的热能时，温度变化必不可少。本文认为，温度的变化必须是梯度，所以，在如下的关系式中温度的差值必须除以基础温度T_H ，（T_H=273.16K）。温位变化关系式为  U_Ｔ=Q（T₂-T₁）/T_H 。                                                                                    

气体在压缩中热量的抗功能力低下。抗功能力低下指的是,气体温度变化在273℃以下时,热量抵抗压缩功的能力低下。对于热泵来说，热量的输出温度一般不会超过一个梯度,所以热量接受的功量（温位升迁功）也是很有限的。

气体在绝热压缩时，内热量ΔU_Q所具有的功量远小于它的热量值 , ΔU_Q不能代表全部内能。全部的被排挤热量Q_P在压缩功那里分享的功量,就是全部热量的温位升迁功。

在多变压缩中，温位升迁功的量为多变压缩功与等温压缩功的差，即  L_S=W-W_D ,例如,当气体容积V₁=2m³,压缩为V₂=0.8m³,受压气体温度为由0℃升至30℃时,这个多变过程压缩功W=195.7473KJ（功） ，而相同压缩比的等温压缩功为W_D=185.6720KJ，二者的功差（升迁功）L_S=10.075KJ(功),也就是说，比等温过程多做了10.075KJ的功,便可输出195.7473KJ的热量。在多变压缩后,若将体系进行冷却，放出的热量值等于压缩功W,此时体系的状态完全等同于等温压缩状态W_D，状态W_D仍可做功，那是因为压缩功的主值储存在被压缩气体中，成为密度内能增量ΔU_M。

　　3.3  压缩功与热量之间的关系是排挤关系  这是超效采暖站又一后备原理。

3.3.1  压缩功W不能与它排挤的热量Q之间划等号 。 压缩功进入气体,是要排挤气体中基础热量的,它不同于功、热转化关系。压缩取出热量的基本值不是由压缩功转化而来，而是大气这个热库中本来就存在的，这个热量的基本值是要接受压缩功的，也就是热量温位在升迁时分享了压缩功。虽然热量值等于压缩功，但热量所接受的压缩功的量很小，这是‘以功论能’所揭示的矛盾

3.3.2  压缩功并未完全由气体的热量所接受。 压缩取热与摩擦生热具有本质的不同，摩擦生热才是机械功转化的热量，此时功量和热量是等量关系,但却是量上的相等和实质上的下滑。而压缩取出的热量是基础热量和它接受的升迁功的和，压缩功的另一部分被密度变化所接受，这就是所谓的‘压缩功的量由气体密度变化和温度变化共同分享的原理’。这是一条复合原理，它包容了两条基本原理：a，气体在压缩中热量的温位升迁功原理；b，气体在压缩中密度内能变化的定量关系。用式子表示时是   W_Y=ΔU_M+L_S   或    W_HY=ΔU_M+L_S 。式中ΔU_M是气体密度内能的增加，其值等于等温功W_D

　　3.4  等温压缩过程中气体内能在增加 

3.4.1  此时内能增加的原理是建立在‘以功论能’基础上的。气体被等温压缩后,输出了等量的等温热量,如果“以热论能”的话,气体的内能未变,然而气体此时具有做功能力,这种做功能力证明了体系与外界尚未达到力能平衡,所以只有“以功论能”才能做出完满解释。

功的下滑性转化产物是热量,我们不能把已经蜕变的能量作为衡量能量的标准。衡量内能的标准不是温度而是压强，压强不但体现着热内能的作用，而且体现着密度内能的作用。所以综合平衡的观念是十分重要的。

3.4.2  气体状态变化的综合平衡。 对于定容加热的气体，压力随温度升高而升高。将热量放出后，温度与压力均恢复原状。但在加热后若不是放出热量而是令其绝热膨胀做功，达到综合平衡后,体系密度降低，而温度高于环境，即以较高的温度补赏了较低的密度。综合平衡状态是体系的压力与外界达到了平衡；另一种情况是受压缩的气体虽可放出等于压缩功的热量，但放出热量后,体系还具有压力，虽然在温度上与外界达到了平衡，但压力上尚未平衡，当气体膨胀做功后,体系的温度低于环境，而密度高于环境，此时是以较高的秘密补赏了较低的温度，亦达到了综合平衡。这种气体状态变化的综合平衡原理在超效采暖站中占有十分重要的地位，它是‘力能反馈’和‘功、热皆利用’的根本依据。

3.4.3  常用公式在默认气体状态变化的综合平衡。绝热过程的功的公式为W=(K-1)^-1·(P₁V₁- P₂V₂) ,多变过程的功的公式为W=(m-1)^-1·(P₁V₁-P₂V₂)，

　　二式一直在被人们运用着，不但用于压缩过程，而且运用于膨胀过程，不论是气体的热力膨胀还是超常密度的膨胀都是适用的，公式的重要参数是压力和容积，这是不曾被人们怀疑的，也没有理由怀疑。因此，本文把这个公式运用于被压缩气体献出热量后的膨胀（超常密度的膨胀）过程。

    受压缩气体献出热量后，膨胀过程虽然也在运用此公式，但从来没人明确过气体状态变化的综合平衡，没人明确过被压缩气体存在着密度内能变化的定量关系。所谓密度内能变化的定量关系，即是无论等温压缩、多变压缩和绝热压缩，其密度内能的变化均为等温功的量。

　　3.5  具有超高效果的开口式热泵