一种高温下化学能转化为机械能的方法技术

本发明专利技术涉及一种高温下化学能直接转化为机械能的方法，其特征在于：将氧化钙粉体、氧化铝粉体和氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体装入带有活塞式盖子的非圆筒状刚玉坩埚，再将所述坩埚置于高温炉内，升温至1600～1750℃，保温0.5～3小时；在保温过程中，所述混合粉体熔融后的熔体和所述坩埚中的氧化铝反应的化学能会转化为熔体的动能，并使其沿坩埚内壁夹角处上涌形成山峰状，熔体上涌的动能可以驱动活塞式盖子形成机械运动，实现高温下化学能转化为机械能。本发明专利技术能实现将高温下化学能直接转化为机械能，可为高温下化学能的高效转化利用奠定基础。化学能的高效转化利用奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种高温下化学能转化为机械能的方法


[0001]本专利技术属于能源开发利用的
具体涉及一种高温下化学能直接转化为机械能的方法。

技术介绍

[0002]化学能是指储存在物质当中的能量，化学能广泛存在于自然界中，随着物质化学变化过程的进行，化学能会转化为热能或其他形式的能量，如石油和煤的燃烧，炸药爆炸以及食物在生物体内发生化学变化时候所放出的能量。根据能量守恒定律，参加反应的化合物中各原子重新排列而产生新的化合物时，将导致化学能发生变化，进而产生能量转化效应。物质在化学过程中发生的能量转化是人类生存和发展的动力之源，如利用化学能转化为热能的原理来获取所需的热量保障生活、生产和科研；利用热能促使化学反应进行，从而研究物质的组成、性质或制备所需的物质，如高温冶炼金属、分解化合物等。
[0003]化学能通常难以直接向机械能转化，化学能向机械能的转化过程通常需要通过额外的内能转换，如蒸汽机中的能量转化，是利用煤的燃烧放出化学能从而对水进行加热，产生具有高内能的高温水蒸气，再推动蒸汽机工作，实现化学能向机械能的最终转化。此外，人类生产生活过程中常见的爆炸、汽油机、柴油机等的运作，也是化学能
‑
内能
‑
机械能三段式转化过程。
[0004]然而，根据热力学第二定律，物质无法从单一热源吸取热量使其全部转化为有用功，而不产生其他影响，所以化学能经过内能向机械能的转化过程存在相当的能量损失，能量转化效率较低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高温下化学能直接转化为机械能的方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案具体为：
[0007]将氧化钙粉体、氧化铝粉体和氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体装入带有活塞式盖子的非圆筒状刚玉坩埚，再将所述坩埚置于高温炉内，升温至1600～1750℃，保温0.5～3小时；在保温过程中，所述混合粉体熔融后的熔体和所述坩埚中的氧化铝反应的化学能会转化为熔体的动能，并使其沿坩埚内壁夹角处上涌形成山峰状，熔体上涌的动能可以驱动活塞式盖子形成机械运动，实现高温下化学能转化为机械能。
[0008]进一步地，所述混合粉体中所述氧化钙粉体所占质量分数为40～65wt％，所述氧化铝粉末所占质量分数为30～35wt％，所述氧化硅粉体所占质量分数为5～20wt％。
[0009]进一步地，所述高温炉内为空气气氛和常压条件。
[0010]进一步地，所述高温炉的升温速率为1～30℃/分钟。
[0011]进一步地，所述氧化钙粉体中CaO含量≥98wt％，粒径≤88μm。
[0012]进一步地，所述氧化铝粉体中Al2O3含量≥99wt％，粒径≤88μm。
[0013]进一步地，所述氧化硅粉体中SiO2含量≥98wt％，粒径≤88μm。
[0014]进一步地，所述刚玉坩埚的截面可以为三角形、正方形、矩形等；所述刚玉坩埚的材质中Al2O3含量≥99wt％，所述刚玉坩埚的体积密度≥3.8g/cm3。
[0015]进一步地，所述刚玉坩埚的内壁长度与内壁宽度的比为1:(0.3～0.5)，所述刚玉坩埚的内壁高度与所述混合粉体的层高的比为1∶(0.3～0.8)。
[0016]进一步地，所述活塞式盖子为耐高温惰性材质，不与所述混合粉体熔融后的熔体及所述刚玉坩埚发生反应。
[0017]合适配比的氧化钙、氧化硅、氧化铝三种氧化物的混合粉体在升温过程中形成一定高温结构的熔体，随着温度的升高至1600～1750℃，所述熔体发生较大变化，产生大量的自由基；同时，在保温过程中该熔体与刚玉坩埚内壁和空气在三相界面处会产生反应，且坩埚中的氧化铝溶解进入熔体，使熔体中大量自由基泯灭，从而释放化学能使熔体沿坩埚内壁夹角处形成上涌山峰，利用熔体上涌的动能驱动活塞形成机械运动，实现从化学能先机械能的直接转变。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]本专利技术可实现高温下化学能直接转化为机械能，为高温下化学能的高效转化利用奠定基础；本专利技术还可以通过改变混合粉体的组分、调节刚玉坩埚的内壁长度和宽度的比例以及保温时间来调控上涌山峰的高度，从而调节驱动活塞形成机械运动的幅度。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例1中经过高温保温后的刚玉坩埚内熔体剖面图。
[0021]图2是本专利技术实施例2中经过高温保温后的刚玉坩埚内熔体剖面图。
[0022]图3是本专利技术实施例3中经过高温保温后的刚玉坩埚内熔体剖面图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的描述：
[0024]实施例1
[0025]将40wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和25wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体装入带有活塞式盖子的矩形刚玉坩埚，再将所述坩埚置于高温炉内，然后在空气气氛和常压条件下，以5℃/ 分钟的速率升温至1600℃，保温0.5小时；在保温过程中，所述混合粉体熔融后的熔体与坩埚中的氧化铝反应产生的化学能转化为熔体的动能，使其沿坩埚内壁夹角处上涌形成山峰状，熔体上涌的动能可以驱动活塞式盖子形成机械运动，实现高温下化学能转化为机械能。
[0026]在本实施例中，所述刚玉坩埚的内壁高度与所述混合粉体的层高的比为 1∶0.3；所述刚玉坩埚的内壁长度与内壁宽度的比为1∶0.3；所述氧化钙粉体中CaO含量为98wt％，粒径为88μm；所述氧化铝粉体中Al2O3含量为99 wt％，粒径为88μm；所述氧化硅粉体中SiO2含量为98wt％，粒径为88μ m；所述刚玉坩埚材质中Al2O3含量为99wt％，所述刚玉坩埚的体积密度为 3.8g/cm3；所述刚玉坩埚的活塞式盖子材质为铂金。
[0027]在本实施例中，化学能转化为机械能后的刚玉坩埚的截面图如附图1所示，从图1可以观察到：熔体沿刚玉坩埚夹角处的内壁上涌形成山峰状，经过测量，上涌峰顶部与底部
之间的高度差为3.87mm。
[0028]实施例2
[0029]将55wt％的氧化钙粉体、30wt％的氧化铝粉体和15wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体装入带有活塞式盖子的正方形刚玉坩埚，再将所述坩埚置于高温炉内，然后在空气气氛和常压条件下，以10℃ /分钟的速率升温至1650℃，保温1小时；在保温过程中，所述混合粉体熔融后的熔体与坩埚中的氧化铝反应的化学能转化为熔体的动能，使其沿坩埚内壁夹角处上涌形成山峰状，熔体上涌的动能可以驱动活塞式盖子形成机械运动，实现高温下化学能转化为机械能。
[0030]在本实施例中，所述刚玉坩埚的内壁高度与所述混合粉体的层高的比为 1∶0.4；所述刚玉坩埚的内壁长度与内壁宽度的比为1∶0.5；所述氧化钙粉体中CaO含量为99wt％，粒径为85μm；所述氧化铝粉体中Al2O3含量为99.5 wt％，粒径为86μm；所述氧化硅粉体中SiO2含量为98.5wt％，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温下化学能直接转化为机械能的方法，其特征在于：将氧化钙粉体、氧化铝粉体和氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体装入带有活塞式盖子的非圆筒状刚玉坩埚，再将所述坩埚置于高温炉内，升温至1600～1750℃，保温0.5～3小时；在保温过程中，所述混合粉体熔融后的熔体和所述坩埚中的氧化铝反应的化学能会转化为熔体的动能，并使其沿坩埚内壁夹角处上涌形成山峰状，熔体上涌的动能驱动活塞式盖子形成机械运动，实现高温下化学能转化为机械能。2.根据权利要求1所述的高温下化学能直接转化为机械能的方法，其特征在于：所述混合粉体中所述氧化钙粉体所占质量分数为40～65wt％，所述氧化铝粉末所占质量分数为30～35wt％，所述氧化硅粉体所占质量分数为5～20wt％。3.根据权利要求1所述的高温下化学能直接转化为机械能的方法，其特征在于：所述高温炉内为空气气氛和常压条件。4.根据权利要求1所述的高温下化学能直接转化为机械能的方法，其特征在于：所述高温炉的升温速率为1～30℃/分钟。5.根据权利要求1所述的高温下化学能直接转化为...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄奥，李昇昊，顾华志，付绿平，张美杰，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：