能源科学导论第二章能量的转换与储存

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1、能量转换与储存第二部分第一节能量转换的基本原理第二节化学能转换为热能第三节热能转换为机械能和电能第四节能量的传输第五节能量的储存第一节能量转换的基本原理概述从热力学的角度看，能量是物质运动的度量，运动是物质的存在的方式，因此一切物质都有能量。热力学是研究能量属性及其转换规律的科学物质的能量主要取决于物质的状态，是状态参数，只要物质运动状态一定，物质拥有的能量就一定。任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。1能量守恒与转换定律自然界的一切物

2、质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变。说明了能量“量”的多少，和能量之间的关系热力学第一定律：能量守恒系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功第一类永动机永动机是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或作功，这叫“第一类永动机”。这种机器不消耗任何能量,却可以源源不断的对外做功。历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在十三世

3、纪提出的“魔轮”，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。十五世纪，著名学者达芬奇也曾经设计了一个相同原理的类似装置，1667年曾有人将达芬奇的设计付诸实践，制造了一部直径5米的庞大机械，但是这些装置经过试验均以失败告终。除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等原理的永动机问世，但是经过试验，这些永动机方案要么被证明是失败的，要么被证明是骗局，无一成功。1775年法国

4、巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永动机。1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就是：第一类永动机不可能实现。2能量贬值原理能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在“质”方面的高低。贬值是指品质的贬值能量贬值原理即热力学第二定律。热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的方向、条件及限度。自然界进行的能量转换过程是有方向性的。不需要外界帮助就能

5、自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向。水总是从高处向低处流动气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向低温物体传递热量传递有方向性第二类永动机在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机。历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后

6、的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。1820年代法国工程师卡诺设计了一种工作于两个热源之间的理想热机——卡诺热机，卡诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两个热源的温差相关。德国人克劳修斯和英国人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定律后，提出了热力学第二定律。这一定律指出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。热力学第二定律的提出宣判了第二类永动机的死刑，而这一定律的表述方式之一就是：第二类永动机不可能实现。热力学第二定律的克劳修斯说法不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他

7、变化。ColdHot为了将热量从冷态输送到热态，您需要一个装置，例如热泵或冰箱，持续做功。制冷装置热力学第二定律的开尔文–普朗克说法不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其他影响。热力学第一定律揭示在能量转换和传递过程中能量在数量上必定守恒。热力学第二定律指出在能量转换和传递过程中，能量在品质上必定贬值。是两条互相独立的基本定律，一切实际过程必须同时遵循这两条基本定律。提高能量的有效利用，其实质就是在于防止和减少能量贬值发生。3能量转换的效率根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其他形式的能

8、量。火用：有用能或有效能，指在给定环境条件下，可以连续地完全转化为任何一种其他形式的能量。火无：无用能或无效能，指不可转换的能量。各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三大类：（1）无限转换能（全部转换能），如电能、机械能、水能、风能、燃料储存的化