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相变原理——TRIZ试解
发表时间:2013-06-07

 

 

相变原理是TRIZ(发明问题解决理论)40条创新原理的第36条。

    TRIZ对相变原理的解释是:利用一种材料或情况的相变,来实现某种效应或产生某种系统改变。这里所说的相变系指物态的变化。

    要搞清相变的技术价值,我们不妨清点一下相变可以导致哪些结果。大致说来相变包括这样一些过程:固体液体、液体气体、固体气体,以及反过来气体液体、液体固体、气体固体。首先我们观察到,在这个过程中物质的流动性发生了变化。固体是不流动的,液体和气体都可以流动,但二者的流动又有区别,即使在开放的容器里液体也有边界,即它的自由面,而气体是没有边界的。其次是在相变过程中要发生体积的明显变化,尤其是液体的气化导致体积膨胀很多倍。再有就是伴随着相变发生的热量交换转移,如熔解热、汽化热。我们对相变现象的利用大多基于上述特点。

    由于相变改变了物质的流动性,就可以把金属熔融后浇注到模具里,冷凝后再还原为固态金属,即完成铸造。铸造的技术意义怎么估量也不嫌过分,它开启了人类的早期文明,以至于时至今日它仍然是许多不规则零件的唯一成型方法。利用非金属的相变也可以实现相似的过程,如注塑、铸石、玻璃或石英的成型等。此外利用熔融的金属还可以实现钎焊,一种很实用的焊接方法,被广泛用于接通电器或电子元器件。

    改变液体的流动性也很有意义,把液体气化后转移到另一个容器中,冷凝后仍还原为液体即可实现该物质的精馏提纯。例如制备蒸馏水、提纯酒精、汽油等有机溶剂或燃料。

    此外,各种气相沉积法提供了有用固体材料镀覆的可能性。

    相变导致的体积变化很早就得到了应用。一个典型的例子就是火药的燃烧或爆炸。在这里不必拘泥于学术上的定义,仅从应用技术的角度来考虑,不管其作用机理如何,就其始末状态而言它是把一些物质从固态变成了气态,即实现了相变。由于它导致了惊人的体积膨胀效应,所以从人们最初观察到这种现象的时候起,就敏感地意识到它可以实现两个不同凡响的技术目标:爆炸和喷射。

    这使我们很自然地联想到火炮、工程爆破和火箭。有趣的是,水结冰时发生的体积膨胀虽然就其体积增量和外部效应而言都无法和炸药相比,却能提供极强的力度,故可以实现较少影响环境的无声爆破,用于报废建筑的拆解。

    同样由于相变导致体积的明显变化,大多数的热机都利用了相变。例如蒸汽机,就是首先在锅炉里完成相变过程,把水变成高压蒸汽,再利用作为工质的高压蒸汽来推动活塞做功。蒸汽轮机也是先在锅炉里完成相变,再利用携带动能的高压蒸汽推动涡轮叶片做功。内燃机、燃气涡轮机和喷气发动机虽然涉及燃油的燃烧,且工质成分及过程较前者复杂,但如前所述我们仍广义地认为其中至少燃油的转化涉及相变过程。有时会根据需要强化相变的效应,例如航空喷气发动机的喷水加力。

    并非所有的热机都利用了相变,作为一个特例,斯特令发动机中的工质就始终保持气态。

    上述热机是将高温热源的内能转化为有用的机械能,而相反的过程即所谓热力学循环的逆循环则是消耗机械能实现热量的转移。这在应用技术中就是所谓的制冷机,广泛用在空调和电冰箱上。  

    在这里首先将低沸点的气态工质压缩液化,此时有大量汽化热释放出来,经散热器散发到非目标的环境中,然后液态的工质在冷凝器中蒸发气化,吸收同样多的汽化热,或用来冷却冰箱的内腔,或通过风机给目标环境降温。如果用空调机来取暖,则上述目标环境与非目标环境需要互换,此时获得的热能除了与所消耗电能相当的部分外,还有从非目标环境转移来的所谓空气能

    相变过程在社会生活中亦有体现。例如提高银行存款准备金率,所涉及的约千亿规模的资金在此前是流动的、活跃的,具备流体的属性。一旦被央行控制,即转化为固相,不再流动了,从而从宏观上调控了社会资金的总体流动规模。再如团购,本来从商家的角度看,消费人群是流动的,具备流体的属性。从统计的意义上看,个人选择性的跳动不大可能影响商家的业绩。而一旦形成团购模式,集团内的人群不再流动了,就集团整体而言具备了固体的属性,它对商家的撞击力显然非散客所能相比。

    铸造、精馏、热机、钎焊、气相沉积,这些看似风马牛不相及的事物,却缘于同一个司空见惯的现象——相变。

    由此看来,任何自然现象只要熟知了它的性质就可以为我们所用,实现形形色色的技术目的。

 

相变原理——TRIZ试解

作者: 李正桐

作者单位:

刊名: 家电科技

英文刊名: HOUSEHOLD APPLIANCE TECHNOLOGY

年,卷() 2011(5)

 

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