環(huán)境能指的是適宜人類生存的地球平均溫度。地球所有的能量都來自太陽，沒有太陽地球表面將下降到宇宙背景溫度-269℃，這意味著我們周圍充滿了能量,這個能量對人類來說無限大。然而，迄今的熱力學(xué)理論、方法、裝置都不能有效利用環(huán)境能量來輸出有用功以及電力。

歷史上曾有許多試圖利用環(huán)境能量做功的嘗試。最為典型的是約翰·嘎姆吉于1881年為美國海軍制造的零發(fā)動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，氨在0℃氣化時產(chǎn)生4個大氣壓的壓強，可以推動活塞做功。加姆吉認為氨氣在驅(qū)動活塞后因膨脹而冷卻會自動冷凝，于是裝置就可以無限循環(huán)地工作下去。但實驗結(jié)果是汽化后的液氨無法重新液化，不能完成循環(huán)。

零發(fā)動機被認為是違背了第二熱力學(xué)的開爾文表述:“不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響”。試圖制造一種從海水取熱做功的機器，這種做法不違背能量守恒但違背第二定律。第二類永動機不可實現(xiàn)。

人們承認零發(fā)動機可以從海水取熱做功但無法持續(xù)，因為單一熱源下氣態(tài)工質(zhì)無法放出潛熱。至此事情變得簡單明了，即第二類永動機能否實現(xiàn)只在于做功后的氣態(tài)工質(zhì)能否在膨脹過程放出潛熱。

關(guān)于這個問題，有必要回顧氣體液化的歷史。1898年，實驗物理學(xué)家卡末林·昂尼斯通過減壓膨脹方法最終實現(xiàn)了氫氣(沸點-252℃)和氦氣(沸點-269℃)的液化。說明除溫度之外壓力也能夠能改變物體狀態(tài)。減壓膨脹可以得到比常壓沸點更低的溫度，只要壓降足夠大。問題在于上述氣體液化的壓力是人為提供的，需要輸入功。那么，哪種工質(zhì)在環(huán)境溫度區(qū)間本身有足夠大的(蒸發(fā))壓力，同時其凝固點又相對高容易液化呢?回答是二氧化碳。

Co2臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.39兆帕。其沸點-78.5℃(升華點)低于凝固點-56.6℃(三相點)。從三相點-55℃到臨界點30℃的濕蒸汽區(qū)溫差85℃，壓力提高14.2倍。對應(yīng)7.39兆帕壓力，水蒸汽溫度為289℃。7.39兆帕接近于發(fā)電廠高壓鍋爐出口的蒸汽壓力。這意味著在環(huán)境溫度下，借助Co2我們就可以獲得足夠大的壓力來驅(qū)動膨脹機做功。

更為重要的是Co2膨脹機膨脹過程與通常的高壓氣體不同。高壓氣體主要靠體積膨脹輸出功。CO2的膨脹過程主要是靠勢能和氣液相變輸出功，體積變化不大。膨脹機膨脹為等熵膨脹，從不同膨脹機入口壓力下膨脹過程的位置圖看：跨臨界Co2膨脹的等熵線始終在飽和液體線左側(cè)的過冷液體區(qū)，即它膨脹的起始和終結(jié)都為液態(tài)。

根據(jù)中外學(xué)者所做的Co2膨脹機降壓相變膨脹過程的可視化研究(高速攝影機拍攝)，Co2相變過程為超臨界流體→高壓液態(tài)→氣液兩相→固態(tài)。超臨界到高壓液態(tài)是勢能蓄積階段。氣液兩相是液態(tài)下氣泡生成和生長的階段，也是對外做功的主要能量源。隨著壓降繼續(xù)增大，氣泡逐漸變小直至潰滅，當(dāng)壓降到三相點或者沸點會生成固體顆粒凝華。

膨脹機是利用高壓氣體降壓時對外輸出機械功使工質(zhì)溫度降低原理以獲得冷量的機械。膨脹機輸出的功可直接作為機械、車、船的動力，也可進一步轉(zhuǎn)化為電力。膨脹機膨脹為絕熱過程，由于不能從外界獲得能量，輸出的功只能以工質(zhì)的焓值(總熱量)減少為代價。工質(zhì)因能量減少而增加的吸熱能力稱為膨脹機制冷量，膨脹機制冷量指它在膨脹過程對外作功的大小。

對熱機來說相變潛熱會降低對外做功從而降低熱機效率，對于膨脹機來說相變潛熱反而會增加對外做功提高制冷效率。因為，膨脹機膨脹輸出功是以工質(zhì)的總熱量(顯熱+潛熱)減少為代價的。我們可以將膨脹機視同水能做功，壓力下降為自發(fā)過程，壓力提升為逆向過程。正是由于膨脹機膨脹對外輸出功，因此可以獲得最大程度的焓降?？諝鈴?.6兆帕壓降至0.1兆帕，理論溫降80℃-90℃，同比壓降節(jié)流膨脹溫降只有1℃。

膨脹機效率等于實際制冷量除以理論制冷量，效率高低取決于膨脹機進口與出口之間的壓差。如果將Co2蒸發(fā)溫度對應(yīng)的壓力折算成相同壓力水蒸汽對應(yīng)的溫度，膨脹機理論上遵守卡諾效率1-T2/T1。在表層海水25℃，膨脹機出口-55℃的工況下，采用Co2的零發(fā)動機經(jīng)折算后的卡諾效率理論值達到60%(不加折算為28%)。效率高是因為膨脹機的出口溫度(低溫?zé)嵩?更靠近絕對零度。

液態(tài)工質(zhì)無法壓縮，因此，無論膨脹機出口排出的是低溫的高液相比兩相流、液體或者固體(干冰為微雪花狀)，都可以在較少耗能的條件下用螺桿壓縮機將其送入換熱器。這種壓縮(推進)耗功不超過膨脹機膨脹功的5%(參考鍋爐的給水泵)。液/固的氣化/升華是吸熱過程，產(chǎn)生的低溫可以作為系統(tǒng)耦合的ORC循環(huán)的低溫?zé)嵩?，高溫?zé)嵩纯梢允黔h(huán)境溫度(其原理類似液化天然氣氣化發(fā)電)。

二氧化碳膨脹機膨脹過程以及利用膨脹制冷為低溫?zé)嵩吹腛RC循環(huán)都明確無誤的表明從環(huán)境取熱做功的所謂第二類永動機完全可能實現(xiàn)，Co2工質(zhì)在膨脹機膨脹過程完成潛熱釋放的事實不可否認。實際，這個過程并沒有違背熱力學(xué)第二定律。膨脹機熱功轉(zhuǎn)換遵守卡諾效率，它的確產(chǎn)生了“其他影響”，即環(huán)境溫降。

約翰嘎姆吉零發(fā)動機的失敗與他選擇的工質(zhì)有關(guān)，更為根本的是歷史條件限制。能夠適應(yīng)氣、液以及兩相的全流高壓膨脹機制造有賴于高精度的5軸聯(lián)動加工中心。發(fā)動機運行需要通過計算機以及大量傳感器對工質(zhì)壓力、溫度、流量進行控制。19世紀完全不具備起碼的技術(shù)條件。分布式家用Co2全流膨脹機承壓不宜低于10兆帕。盡管理論上沒有技術(shù)障礙，但迄今國內(nèi)外還沒有開發(fā)出這樣高承壓的全流膨脹機。

實現(xiàn)22兆帕超臨界壓力需將水加熱到374℃，同樣壓力Co2只要100℃，這意味著以Co2替代水為介質(zhì)，發(fā)電燃料消耗可以減少70%。在熱帶、亞熱帶地區(qū)我們可以在地表和地下修建兩條類似冰箱蒸發(fā)器盤管的換熱器，地表部分向陽設(shè)置，地下部分深入地下5米，注入液態(tài)二氧化碳使其在兩個換熱器之間流動，通過膨脹機就可以利用太陽輻射能24小時高效率發(fā)電了，同時還可以獲得與發(fā)電量等量的冷量。

現(xiàn)行的熱力學(xué)循環(huán)包括熱機循環(huán)和制冷循環(huán)都以環(huán)境為低溫?zé)嵩?，系統(tǒng)向環(huán)境放熱，這不僅需要高溫?zé)嵩?，環(huán)境能量也注定無法被利用。Co2環(huán)境能發(fā)動機將現(xiàn)行熱機的低溫?zé)嵩唇档土艘粋€臺階至環(huán)境溫度之下，絕對零度以上的空間，使得環(huán)境溫度成為高溫?zé)嵩?，環(huán)境能量-太陽輻射能成為可直接利用的能源。