脑洞论文：麦当劳的炸薯条能用来为蒸汽机供能吗？

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论文作者：K. E. Wright, R. R. Norisam, J. S. Baker, T. W. Buggey

摘要

我们想知道，蒸汽机能否由每天用于加热400万公斤麦当劳炸薯条的能量来驱动。因此对薯条炸熟后，冷却至室温时，所放出的能量进行了计算。计算过程中，我们发现麦当劳每天的油炸产品可以释放的能量高达4.4×10^14J。将炸薯条的马铃薯淀粉作为能量，足以供一台1800HP的内燃机运行3018天。

简介

M记每天会耗费过多地能量炸400多万公斤薯条[1]。在调查每天炸薯条所消耗的能量之后，计算了这些能量是否能够用作一台标准1800HP内燃机的能源。在调查过程中，我们意在强调，如M记这类公司，在煮速食的时候所耗费的巨大能量。蒸汽火车用内燃机，从储热器获取热量做功，并将热量释放至一个低温水箱[5]。储热器需要高比热容的燃料，比如煤。马铃薯淀粉的比热容很高[7]，因此可以研究一下，马铃薯淀粉能否用作内燃机储热器的燃料。本文研究的是它能否持续为蒸汽机供能。

研究食物冷却过所释放的能量

首先，我们计算了M记油炸食物从油炸温度降至室温所释放的能量。假设一个长方体食物长度为58.9mm [2]，正面面积约为10mm x 10mm。并假设M记薯条的油炸温度为93度[3]，并让它冷却至室温。最后假设这些薯条是由一个马铃薯削出来的[4]。利用热传递方程[5]：

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其中m=一根薯条的质量，用m =ρV 计算，ρ为炸薯条的体积密度449kgm^-3；体积V是根据上述的假设计算出来的；c为土豆的比热容3.43 KJ/kg[7]；温度变化△T=93-23 =70K。

由于M记每天煮400万公斤薯条，每天这些炸薯条耗散的能量为4.4×10^14J。一个土豆在烹饪过程中发散的能量大约为634.97J。

蒸汽机所需能量的研究

首先，对马铃薯淀粉燃料需要为引擎冷却源提供的能量进行计算。要进行计算，首先需要知道内燃机的效率。热力学第二定律说明，不可能存在效率为100%的机器，此处根据效率最高的卡诺发动机进行计算。

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其中Tc和Th为冷热器的温度。可以计算这个系统中到达冷却源的能量：

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其中Qh和Qc为冷热器各自的能源。整理方程式计算Qc：

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其中Qh=4.4×10^14J，ε= 0.204。得出Qc的值为3.5×10^14J。

蒸汽机的功率

一台1800HP的发动机每秒需要1342800J能量(1HP=746J/s[9])。将这个数值与上面计算出的值进行比较，可以得出一台以马铃薯淀粉为燃料的内燃机可以驱动一台蒸汽机3018天。

结论

我们发现用于加热麦当劳炸薯条(由马铃薯淀粉制成)的能量，可供一台1800HP的内燃机工作3018天。由于假设了马铃薯淀粉被加热了约70度，且熔炉中无热量损失；并假设发动机的效率为最高值。将这些假设考虑在内，则马铃薯淀粉驱动火车的实际时间会少于3018天，因此建议在进一步的研究中，对以上假设进行修正。但是本研究仍然揭露出了，麦当劳这类速食公司每天的加工过程浪费了超乎想象的巨额能量。

本文译自 physics.le.ac.uk，由译者 大脑袋 基于创作共用协议(BY-NC)发布。