论能量增加
关键词：渗透、反渗透、RO膜、溶液分层、能量增加、永动机
一、摘要
通过实验，观察到渗透现象和反渗透现象将水提高的事实（增加了水的重力势能），理论上说明100%的截留率，得出能量可以增加的结论。
二、序言
曾今有很多人想过要把水抽到高处，然后用水的势能做功，想要做成永动机，但是都失败了。并由于其他无数想做成永动机的方案都以失败告终，以至于世界在一百多年前公认能量守恒的正确，但是却得不到严格的理论证明。
设想只要把水抽上去，并且不需要能量维持，即可完成永动机。根据渗透现象和反渗透现象做成的装置1能够实现这一设想。本实验的结果支持能量增加论。
三、正文
1、浓度大，渗透压大
“ 如果用一种半透膜（如动物的膀胱，植物的表皮层，人造羊皮纸等）将蔗糖溶液和水分子隔开，如果这种半透膜仅允许水分子通过，而糖分子 不能通过，因此糖分子扩散就受到了限制。由于在单位体积内，纯水比蔗糖溶液中的水分子数目多一些，所以在单位时间内，进入蔗糖溶液中的水分子数目比离开的多，结果使蔗糖溶液的液面升高。这种溶剂分子通过半透膜自动扩散的过程称为渗透。如果我们在蔗糖溶液的液面上施加压力，使两边的液面重新相平，这时水分子从两边穿过的速度完全相等，即达到渗透平衡。这时溶液液面上所施加的压力大小与该溶液的渗透压相等。（也就是说，压力增加的一侧，单位时间内穿过膜的水分子数目会增加。）
如果外加在溶液上的压力超过渗透压，则反而会使溶液中的水向纯水的方向流动，使水的体积增加，这个过程叫反渗透。反渗透广泛应用于海水淡化，废水或污水处理和溶液的浓缩等方面。”
以上简单而言就是：渗透压大于外压Ｐ时，水就会向浓度大的一侧流，即渗透。渗透压小于外压Ｐ时，水就会向浓度小的一侧流，即反渗透。膜两侧的一定的浓度差与一定的液面高度差以压力的形式相平衡。（说明一下，密度和浓度是两个不同的概念，分层后的上下液密度变化很小，为了简化讨论认为其密度不变，但浓度变化很大。）
“范托夫（Van’t Hoff）综合渗透实验结果，指出了稀溶液的渗透压与温度、浓度的关系 V=nRT ③ 或 =cRT ④
从④式中可以看出，在一定的温度下，稀溶液的渗透压于溶液的浓度成正比，也就是说，与溶液中所含溶质的数目成正比，而与溶质的本性无关。实验证明，即使像蛋白质这样大的分子，其溶液的渗透压也是与小分子一样，由它们的质点数目所决定。必须注意，渗透压只是当溶液与溶剂被半透膜隔开时才会产生。另外，如果半透膜外不是纯水，而是一种较稀的溶液，则稀、浓溶液之间同样也能产生渗透压。 ”引号部分引用书本（略有改动）《无机及分析化学》（引用页码P7~P11）
本文的实验1、2至少也能证明渗透压与浓度正相关，即浓度大，渗透压大。
2、溶液静置分层
将溶液（如蔗糖溶液、味精溶液、淀粉溶液、牛奶溶液、鸡蛋清溶液等等）静置较长时间，会出现明显的分层现象。
一方面，物质分子总是不停的做无规则的热运动，有趋于混合均匀的趋势。但另一方面，由于溶剂（水）与溶质（蔗糖或其他）的密度不同，且各物质分子相互间作用力太弱，在重力作用下，密度大的物质会缓慢的沉到下部。总的效应是：绝大多数溶液静置较长时间会发生分层，下层液浓度比中上层浓度大。
分层以后的液体，上液的浓度接近水，下液的浓度趋于饱和。
3、装置
在装置1中,初始状态：A、B、C液面相平。
现象：当静置一段时间后，A中溶液出现分层现象，下部浓度高，渗透压大，上部浓度低，渗透压小。A液面上升，B、C液面下降。（渗透的液体速率很小，从a管处的膜流出的液体慢，而且从a管出来又是一个截面突然放大的过程，流速大大的减小，其产生的流动变得小于蔗糖等溶质的沉积速度。）
最终，液面高度不再变化，A和B之间出现液面高度差H1，A和C之间出现液面高度差H2，而B与C之间出现液面高度差（=H1—H2）。
先假定RO膜对蔗糖或淀粉或蛋白质分子的截留率为100%，即这些物质分子完全不能透过RO膜，后面再说明。
分析：最终的平衡为动态平衡，即单位时间内从A穿过半透膜进入a管的水分子数N1与从a管穿出半透膜的水分子数N2相等。并且单位时间内从A穿过半透膜进入b管的水分子数N3与从b管穿出半透膜的水分子数N4相等。但N1与N3并不相等(N1>N3，因为下部浓度高，渗透压大，上部浓度低，渗透压小。压力增大，单位时间内穿过膜的水分子数目会增加)。
此时在C的液面高度处开一条缺口，使C的液面不会再升高。缓慢的向B中加入V1体积的纯水，使其液面增加一点点。
则B的液面升高，B液对半透膜的压力增大，单位时间内从a管穿出半透膜的水分子数N2会增加N8，N2+N8大于N1（N1为从A穿过半透膜进入a管的水分子数），导致水从B经a流到A，使A的液面增高。
A的液面增高，使A液对半透膜的压力增大，单位时间内从A穿过半透膜进入b管的水分子数N3增加N9，N3+N9大于N4（N4为从b管穿出半透膜的水分子数），导致水从A经过b流到C。A和B之间出现渗透现象，A和C之间出现反渗透现象。
而C的液面由与缺口不会再升高，最终会将加入B中的纯水V1经B-a-A-b-C从缺口流走。从而恢复之前的动态平衡。
把C的缺口改成一条从C到B的连通器c，则水会从C回到B，从而进入B-a-A-b-C-c-B-a-A-b-C-c-B-a-A-b-C-c……无限循环中。
从另一角度看，装置１能将水从Ｂ液面提高到Ｃ液面，提高。
假设：（常温常压下）将多个装置１串联起来，即可以将水提高多倍的高度。水被提高后就具有重力势能，可以对外做功，只要做了功的水最终流回装置１的Ｂ中，就能够无限循环，并且对外输出功。即不需要外界能量的加入，而可以不断对外做功的永动机。
能量分析（分析增加的V1体积水的运动过程）
在水V1经B-a-A-b-C的过程中，水上升了。水的重力势能增加了mg。
首先，水由于渗透势（一般认为浓溶液对稀溶液存在渗透压，也就有渗透势，渗透势被看成一种势能）从B到A，Ａ的溶液渗透势减小。在此也引起了溶质蔗糖或其他大分子的上升，重力对其做负功，其重力势能增加。重力对水做负功，水的重力势能增加。
之后，水从A的下部上升到A的上部，因为重力原因，密度不同而出现溶液分层，重力对溶质蔗糖或其他大分子做了正功，其重力势能减小。重力对水仍做负功，水的重力势能继续增加。
水从Ａ到Ｃ，Ａ的渗透势增加并恢复。重力对水做正功，水的重力势能减少，但Ｃ的液面的高度仍大于Ｂ液面，即Ｃ的液面的重力势能大于Ｂ的液面。
整体上来看，即水从Ｂ到Ａ再到Ｃ，Ａ的渗透势最终保持不变，只有重力对水做负功，但是水却升高了，获得了重力势能。也就是说，无外界做功，却得到了势能的能量。在这个过程中（渗透、溶液分层、反渗透），找不到热量的传入与吸收，因此与热能无关（这个地方以后会成为整个问题的关键）。幸而这个现象（渗透与反渗透）是现实存在的，并且是宏观可见的，这个问题就比较容易通过实验事实解决。
如果按照假设将装置1串联并对外做功，则可以更加明显的证实能量增加。无限循环做功，却无外界的能量加入（对于水的无限循环过程，状态可以看做稳定。即对于每一次完整的循环，最终水的渗透势能和重力势能变化为0）。
需要证实和说明的是１００％截留率的问题。
按照筛子理论，膜对物质的筛分是通过膜上的孔径大小来实现的，大的留，小的放过。
根据膜的额定孔径范围作为区分标准，可将膜分为微孔膜（ＭＦ）额定孔径为0.02～10um，超滤膜（ＵＦ）额定孔径为0.001～0.02um，反渗透膜（ＲＯ膜,Reverse Osmosis membrane）额定孔径为0.0001～0.001um。
一般性的自来水经过RO膜过滤后的纯水电导率5μs/cm（RO膜过滤后出水电导=进水电导×除盐率，一般进口反渗透膜脱盐率都能达到95%以上，5年内运行能保证90%以上。对出水电导要求比较高的，可以采用2级反渗透，再经过简单的处理，水电导能小于1μs/cm）。即RO膜的孔径与NaCL溶液中的离子大小接近甚至应该小于钠离子、氯离子的直径（当然也可能是钠离子、氯离子在水中以某种水合态或胶态存在），而蔗糖分子直径比离子直径大至少十倍，淀粉和蛋白质比蔗糖大千倍甚至几十万倍。而且人工可以（改变交联度或对天然化合物的多种修饰）合成分子直径大小不同的化合物（包括离子化合物）。
另一方面，通过改变交联剂的成分和含量，可以制造孔径大小在一定范围内不同的膜。还有一点就是，膜的孔径大小与分子的大小种类（键长、键能）有关，并且分子间产生的孔径受到温度和压力的影响而变化，记得有报道说在氮的人工合成过程中，钢板也可以渗出水份。总而言之，物质在受到外界压力时会产生形变（微小形变）。也就是说，其分子排列出现移动，分子键会发生变化。
总之，不管是从溶液的溶质分子的大小上进行选择，还是在膜的额定孔径上进行选择，或者同时进行，必定能实现100%的截留率。也许RO膜对蔗糖或淀粉或蛋白质就是100%的截留率。
（我的实验水不纯，且无痕量检测仪器如色谱仪或者测微电导率的设备，所以不能从实验直接证明100%截留率，只能从理论上说明。）
四、实验
材料：RO膜（Reverse Osmosis Element反渗透膜，购买于淘宝网，韩国制造）、鸡蛋膜（采用内撕法可以得到大块甚至完整的膜，预实验证明其对蔗糖、淀粉、甚至蛋白质都在一定程度上不能完全截留）、某黄色塑料包装袋（预实验证明其有半透性）
玻璃胶（中性硅酮密封胶 793-A，南昌塑胶有限公司生产，用于将膜与管口的接触出的密封）、半透明塑胶软管（内径0.9cm，外径1.4cm，用于充当连通器和临时试管并用于装置2的上部）、塑料软管（内径1.5cm，用于装置2的下部）、一次性塑料饮水杯（充当临时烧杯并用于装置2的顶部）、竹签（用于涂取玻璃胶）、透明胶（用于贴标签）、黑色细线（用于标液面高度）、塑料瓶（百事可乐或鲜橙多的瓶子，去掉上部五分之一，充当水槽和大烧杯）、筷子（充当玻璃棒）、吸管（用于细细品尝糖开水）、注射器（充当量筒移液管和吸管）水桶（充当装置2的B）
蔗糖、味精、鸡蛋清、纯牛奶、淘米水（充当淀粉溶液）、自来水（暂时担当纯水的职责，当实验要求不严格时，可以得到预期的结果，膜内外干扰离子的浓度相等时不影响渗透的短期结果，长期的结果会因离子的富集而受到干扰）、注射用头孢拉定和盐酸林可霉素注射液（这两种抗生素用于加入鸡蛋清、纯牛奶、淘米水溶液中，以达到短期防止微生物滋生，保护实验结果的目的。蔗糖或味精的溶液，成分较单一，且下部浓度较高，细菌滋生较慢，对短期结果影响很小。）。
实验一：
步骤：取两个一次性塑料饮水杯，加入少量蔗糖（约为杯子的六分之一左右），倒入冷开水（约为杯子的五分之四左右），用筷子搅拌，使蔗糖溶解。静置24小时后，取其中一杯对光轻轻震荡或用筷子在溶液上部轻轻搅动，从侧壁观察溶液的上下部分的折光度差异。取另一杯，用吸管（或者直接用嘴）慢慢并连续的品尝其甜度的变化。
结果：观察到上下溶液之间有一个明显的界面被扰动。品尝感到溶液开始时微甜甚至感觉不到甜味，慢慢觉得越来越甜，最后的一部分格外甜甚至腻。
（另外的实验结果：味精、牛奶、淘米水、鸡蛋清溶液静置24小时以后都可以看到不同程度的分层现象）
结论：蔗糖溶液静置24小时后出现分层，会出现上下溶液之分，下部溶液浓度大，上部溶液浓度小。
实验二：
步骤：取截成25cm长的半透明塑胶软管12支，6支在一头用玻璃胶贴上RO膜并密封接口处，另外6支贴上鸡蛋膜。贴上标签。将RO膜浸泡在水中。等玻璃胶干（约一到两天）后。取一个去顶的大塑料瓶，将搅拌均匀的蔗糖溶液倒入塑料瓶，然后将分别RO膜、鸡蛋膜每两支一组放入塑料瓶的不同高度，向每支半透明塑胶软管加入自来水，使每支管的液面高度基本一致并全都高于塑料瓶内的液面0.5cm左右。静置较长时间。观察各管的液面高度
结果：
2010年1月25日——2月6日（12天）
管外液面高18cm | ||||||||||||
RO膜 | 鸡蛋膜 | |||||||||||
软管编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
膜距底部距离 | 12.5cm | 8～9cm | 0.4cm | 12.5cm | 8～9cm | 0.4cm | ||||||
内外液面高度差 | 小于0.1cm 几乎为0 | 比管外液面低 3.2cm | 0 | 比管外液面低 2.0cm | ||||||||
结论：蔗糖溶液静置出现分层现象，上部溶液浓度基本相同而且很小，下部溶液浓大。
浓度大其渗透压大，体现为液面高度差大。
鸡蛋膜的截留率小于RO膜。
分析：蔗糖静置分层后，上下浓度不同。上部浓度小，渗透压小，所以管内外高度差很小。下部的溶液浓，其渗透压大，管内外高度差大。
由于鸡蛋膜的截留率比RO膜的小，所以有部分蔗糖透过鸡蛋膜进入管内，导致管内有一定的蔗糖渗透压产生。使鸡蛋膜的软管内液面高度差小于RO膜管的高度差。
由于所用的水是自来水，所以即使经过较长时间仍不能产生很大的高度差。因为在渗透过程中，管内的无机离子被浓缩，产生了管内渗透压，与管外渗透压作用相反。
实验三：
步骤：组装装置1。组装了两个，标为E、F。（E装置的ABC容器相同，初始液面高14.8cm，用黑线做好标记，b的膜在液面下4～5cm。F装置的ABC容器大小不相同，初始液面高17cm，用黑线做好标记，b的膜在液面下4～5cm。）
六天后（2010年2月11日——2月17日，六天），观察液面高度。并对装置1进行进一步的实验。F装置中，从C吸走1cm高度的水加到B中。E装置中，向B加水，使B增高1cm。
再静置三天（2月17日——2月20日，三天），观察液面高度。
结果：六天后（2月17日）E的结果为（A液面高14.7cm，B液面高14.5cm，C液面高14.7cm）H1为0.2cm，H2为0，为0.2cm（0.2—0=0.2cm）
F的结果为（A液面高16.8cm，B液面高16.5cm，C液面高16.7cm）H1为0.3cm，H2为0.1，为0.2cm（0.3—0.1=0.2cm）
三天后（2月20日）E和F的结果不理想，暂略去。
结论：装置1的六天实验可以看到预期结果。溶液静止分层，浓度大，渗透压大。同时蒸发对装置1的影响作用也明显。我的实验条件得不到后三天的实验结果
分析：装置1的后三天实验受时间短（实际需要的时间很长），蒸发大，水的纯净度不够等因素影响，结果不明显。装置1的具体分析见上文3、装置。
实验四：
步骤：组装装置2。用RO膜、黄塑料膜、鸡蛋膜分别与蔗糖、味精、鸡蛋清、牛奶、淘米水溶液组合，共组装了60个。（装置2为装置1的改进，将a、b管套接，接口密封，管内为A液。）
静置九天后（2010年2月11日——2月20日，九天），观察液面高度。
结果：有一个装置2出现C的液面上升了一点点的情况，但不能肯定结果。
六天后有24个装置2（占总数的五分之二）C液面保持在最初的刻度不变，九天后仍有14个装置2（其中RO膜七个，鸡蛋膜三个，黄塑料四个）的C液面保持不下降（然而C液面是对大气开放的，且在我的卧室内，温度应该比室外高，九天的蒸发量应该不小）。
其余四十六个出现C液面下降，其中二十个甚至降到C液为空（其中的C液为空的装置经过检查，发现是因为玻璃胶出现裂痕，漏液）。
结论：膜两侧的一定的浓度差与一定的液面高度差相平衡。
分析：装置2的原理是，渗透压大于外压Ｐ时，水就会向浓度大的一侧流，即渗透。渗透压小于外压Ｐ时，水就会向浓度小的一侧流，即反渗透。膜两侧的一定的浓度差与一定的液面高度差以压力的形式相平衡。A的底液比上液浓度大，假定底液产生3cm的高度差，而上液产生0.5cm的高度差。把装置放入水中，并使外液刚好与上膜平齐。则底液的渗透压要使整个液面产生3cm的高度差，即A液面要升高3cm。而上液的渗透压只能与0.5cm高度差相平衡。而A容器上下密封，压力能够向上传递，使得下膜出现渗透，上膜出现反渗透，理论上A液（应该称为C液）要上升2.5cm。而实际上，我的实验装置C液在越接近2.5cm（假定的最终目标高度差）水的流速越慢，并且C液有蒸发。所以只能得到C液面维持在比外液略高1cm左右的最初标记高度，基本上看不到液面再升高。
渗透和反渗透作用是一个非常缓慢的过程，尤其是在低压的情况下。（不论过程如何慢，只要能证明能量增加即可。这篇里缺少一个焦点实验：热能验证实验。但是如果按照假设的方案则不需要热能验证实验。）
五、
《无机及分析化学》 南京大学《无机及分析化学》编写组编。—3版。—北京：高等出版社，1998 ISBN 7-04-006432 -4 （引用页码P7～P11）
