化学摩擦：热能转化为摩擦功的第四种摩擦现象

我是大地和水的女儿，

也是天空的养子，

我来往于海洋、陆地的一切孔隙，

我变化但是不死。

雪莱，《云》

萨迪·卡诺在他的伟大的著作中表述：为了在热流中产生最大的功，不能有不伴随体积变化的温度变化存在。体积改变就意味着，当体积膨胀时，温度下降（如果没有加热）；当体积被压缩时，温度升高（如果没有冷却）。然而实际上，如果存在温差，就存在着不可避免的热量流。在现实生活中，温度变化及与之相关的热流无处不在。有时，我们会尽量减小这种热流，并像我们的房屋墙壁一样安装保温层。有时，我们需要通过热交换器的壁面来传递热能，就是试图使壁面更具导热性。(www.xing528.com)

根据卡诺提出的理论，每个存在显著降温的传热过程，都存在做功能力的损失。为什么在他的类比中温度和水位是一致的呢？设想水从大坝通过一束内表面积很大、管壁很薄的管道流下来，因此摩擦很大。水流速度将会很低，即使总流量很大，它的动能也可以忽略不计。设想用一种海绵或另一种就像一层厚厚的沙一样的多孔物体来代替管道。在这里，水流速度和高度的乘积等于摩擦做功，产生的热加热了底部的水。水的势能转化为热能。产生的热质等于摩擦做的功除以水的温度。

非常类似的过程发生在一堵墙的冷热两边的传热过程中。进入墙壁的热流量等于离开的热流量；然而，该热质流应增加，因为现有的加热温度更低一些。在这里，我们看到在穿过壁面的传热中的不可避免的热质增加。温差越大，热质增加越多。我们称这种现象为热摩擦。我们永远不能区分机械摩擦产生的热质和在热摩擦中产生的热质。这就是为什么我们把机械的、电气的和热能的摩擦看做广义的摩擦。现代能源工程在设计热设备时有很成熟的方法，使机械摩擦和热摩擦的总和最小，相当于使产生的热质最小。

严格地说，我们有义务指出称为化学摩擦的第四种摩擦。每个化学反应都产生了一定的热质。它是科学中的更加难以理解的一部分，并且我们并不想使读者负担过重。如果有谁感兴趣，可以在其他地方看到大量的讨论。

乍一看，似乎可以通过降低墙两侧的温度差至接近零度来消除热摩擦。像往常一样，这是个误导，因为温差越小，传热的壁面面积应越大，为了制造这么大的面积，我们被迫产生比降低温差节省的热质更多的热质。当我们面对周期性的加热和冷却的特定的时间过程时，由于小温差的热传递非常缓慢，导致了一个非常大的时间跨度，所以总是存在一个最优的温差。

在各种广义摩擦情况下，热质量等于摩擦功除以该点的温度。机械摩擦功等于摩擦力乘以路径，电功等于电流乘以导体两端的电压降，穿过墙壁热传递的热摩擦功与热流量和温度的乘积成正比。如果较低一侧的温度恰好与周围环境一致，热摩擦达到最大。否则，若不是在传热中，根据卡诺类比，这一小部分的热流可能会完全转化为电能。但是，在热传递中，它在做功的时候完全损失掉了。