c能的转化的方向性能源开发

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1、第七章C能的转化的方向性能源开发据报道，澳大利亚政府决定建造一座高达1000m的“太阳塔”，利用太阳能进行风力发电。这一高度将是上海“东方明珠电视塔”的2倍多。这是一项规模极为庞大的环保能源工程。“太阳塔”的底端有一个直径7000m的圆盘状集热器，如图7-15所示。在图7-15太阳的照射下，集热器的中部形成一个巨大的温室。由于对流效应，热气流沿着“太阳塔”以56km/h的速度上升，推动“太阳塔”内部特别设计的涡轮产生电力。这种特殊的设计可以克服天气条件限制，不间断地工作。据估算，“太阳塔”一年所发的电可供20万个家庭使用，而

2、如果采用传统发电方式，每年为此要排放出830kt的二氧化碳。图7-15人们为什么要投入巨大的人力和物力建造“太阳塔”呢？在本节，我们将从能的转化的方向性给出答案。大家谈你在电视中可能会看到这样的情景：被摔得粉碎的茶杯碎片组合成一个完整的杯子，从地上跳回到桌面上。这时你一定会说是影片在倒放，不足为奇！为什么这不是真实的过程？凡是能量守恒的过程就一定会发生吗？科学家经研究发现，有许多想像中的过程，例如单纯使全部海水降温以获得能量的过程，虽然不违背能量守恒定律，但在自然界中却是不能实现的。人死不能复生，破镜不能重圆，泼水难收……这

3、些说法反映了一个事实，实际过程都具有“单向性”或“不可逆性”。下面我们通过简单的物理过程来考察单向性的含义及其产生的原因。一杯热水放在空气中，它就逐渐冷下来。但是我们却从未观察到相应的逆过程：热量自然地从空气向热水传递而使热水的温度升高，虽然在理论上这过程同样可以符合能量守恒定律。因此，热传递过程具有单向性，它只能自发地从高温物体传递到低温物体。其次，一个单摆在来回摆动许多次后，总会停下来，它通过克服摩擦力和空气阻力做功而使机械能转变为内能。但我们从未观察到相应的逆过程：这部分内能重新自然地转变为机械能而使单摆恢6/6复摆动

4、。再如，气体的自由膨胀过程，如图7-16所示，打开容器中间的隔板后，原来储存在容器左边的气体就会向右边的真空区域自由膨胀，最终均匀地分布于整个容器。但我们从未观察到相应的逆过程：气体自行压缩到容器的一边。隔板图7-16真空热传递、摩擦生热、气体自由膨胀等是物理学中所讨论的三类典型的单向性过程或不可逆过程，而且这些过程都与热现象密切相关。1．自然过程的方向性大量事实表明，自然界中的一切实际变化过程都具有方向性，朝某个方向的变化是可以自发发生的，相反方向的变化却是受到限制的。这时如果要使变化了的事务重新恢复到原来的状态，一定会对

5、外界产生无法消除的影响，这就是自然过程的不可逆性。自主活动1．列举几个自然界和日常生活中具有“单向性”过程的例子。2．热传递过程具有单向性，热量只能从高温物体传递到低温物体。试分析这个说法与电冰箱工作过程（热量从冰箱内的低温区传递到外界温度较高的空气中）的实际情况是否矛盾？既然能量守恒，为什么还会有能源危机？2．能量的耗散与退化要回答这个问题，得从能量的耗散与退化说起。1852年，英国物理学家汤姆孙（WilliamThomson，1824-1907）的研究发现，在自然界发生的种种变化中，能量的总值虽然保持不变（守恒），但是能

6、量可被利用的价值却越来越小，或者说能量的品质在逐步降级，这就是能量耗散与退化。对于人类来说，除了内能外，更需要机械能、电能。内能在转化为机械能时，总有一部分要散发到温度较低的环境中。可见，在转化的过程中，只有部分内能可成为有用的机械能，另一部分成了“废品”。从这个意义上说，内能是一种低品质的能。如果其他形式的能量通过摩擦、碰撞、燃烧等过程转化成内能，能量的品质就降低了。由于宏观过程的不可逆性，如果一个系统的内能增加，这个系统就永远无法依靠自身的作用（自发地）回到原先的状态，除非系统依靠外界的帮助。而“外界的帮助”将更多地消耗

7、其他形式的能量，产生出更多的内能来。当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球上能的总量，但是它们的可利用价值会降低。例如，开汽车时要消耗汽油。汽油在发动机中燃烧，将燃气的部分内能转化为驱动汽车行驶的机械能，同时，另一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，这部分内能就很难再利用了。3．能源（energysources）6/6能够提供可利用能量的物质资源叫做能源。目前，人类消耗的能量主要来自煤炭、石油、天然气等物质。人们把煤炭、石油、天然气等在技术上比较成熟、使用较普遍的能源叫做常规能源。近几十年才开始利用或正在研究开发的能源叫做

8、新能源，如太阳能、核能、地热能等。大家谈请你说说图7-17中各能源转化装置分别利用了哪些能源？图7-17自主活动能源的划分有多种方法。直接来自自然界的能源叫做一次能源，如煤炭、石油等。从一次能源直接或间接转化而来的能源叫做二次能源，如电能等。一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。