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当前位置:首页 > 行业资料 > 冶金工业 > 课件第2章-能量的转换与存储
第二章能量的转换和储存主要内容第一节能量的基本性质第二节能量的转换狭义上的能量转换,即能量形态上的转换能量转换量的问题能量转换质的问题能量转换效率问题广义上的能量转换第一节能量的基本性质能量的基本性质研究能量属性及其转换规律的科学是热力学。从热力学的角度看,能量是物质运动的量度,运动是物质存在的形式,因此一切物质都有能量。只要物质运动状态一定,物质拥有的能量就一定.尽管物质的运动多种多样,但就其形态而沦只有有序(有规则)运动和无序(无规则)运动两类。人们常将量度有序运动的能量称为有序能,量度无序运动的能量称为无序能。显然,一切宏观整体运动的能量和大量电子定向运动的电能都是有序能;而物质内部分子杂乱无章的热运动则是无序能。大量事实证明,有序能可以完全地、无条件地转换为无序能;相反的转换却是有条件的、不完全的。不完全、有条件无序能有序能无序有序运动“量”的多少能量守恒与转换定律“质”的高低能量贬值原理能量和能量转换这一特性,导致能量不仅有“量”的多少,而且有“质”的高低。能量在量方面的变化,遵循自然界最普迫、最基本的规律,即能量守恒与转换定律。这一定律和细胞学说及进化论,被称为19世纪自然科学的三大发现。在第一章我们对能量的转化有了大概的了解,它的定义分为狭义上和广义上的,今天我们将详细的研究能量之间的转换第二节能量的转换狭义上的能量转换,即能量形态上的转换能量转换量的问题能量转换质的问题能量转换效率问题广义上的能量转换1、能量在空间上的转移,即能量的传输。2、能量在时间上的转移,即能量的储存。狭义上的能量转换1.热力学第一定律:能量转换“量”的问题2.热力学第二定律(能量贬值原理):能量转换“质”的问题3.能量转化效率问题4.能量形态上的转换能量守恒与转换定律•自然界一切物质都具有能量,能量既不能被创造、也不能被消灭,只能从一种形式转换为另一种形式,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总量恒定不变。热能与其它形式能量之间的转换也必然遵循能量守恒和转换定律——热力学第一定律。热力学第一定律指出:热能作为一种能量,可以与其它形式的能量相互转换,在转换过程中能量总量保持不变。能量相互转换质能守恒定律20世纪,A.爱因斯坦发现了狭义相对论,指出物质的质量和它的能量成正比,可用以下公式表示:E=mc2这一现象并不意味着物质会被消灭,而是物质的静质量转变成另外一种运动形式。所以20世纪以后,这一定律已经发展成为质量守恒定律和能量守恒定律,合称质能守恒定律。质量和能量都是物质的重要属性质量可以通过物体的惯性和万有引力现象而显现出来能量则通过物质系统状态变化时对外作功、传递热量等形式而显现出来。质速关系式适合应用于基本粒子接受或释放出能量之时的作用过程。狭义上的能量转换:热力学第一定律—能量转换“量”的问题德国物理学迈尔(JuliusRobertMayer,1814~1878)1842年第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。1843年8月21日焦耳得出结论:热功当量是一个普适常量,与做功方式无关。系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功。1847年,德国物理学家亥姆霍兹从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程,揭示其运动形式之间的统一性,它们不仅可以相互转化,而且在量上还有一种确定的关系。将能量守恒定律应用到热力学上,就是热力学第一定律。热力学第一定律: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。热能作为能量,可以与其他形式的能量相互转换,在转换过程中能量总量保持不变。狭义上的能量转换:热力学第二定律(能量贬值原理)—能量转换“质”的问题能量不仅有量的多少,还有质的高低。一方面,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。比如一大桶水,所含热量可谓很多,却不足以煮熟一个鸡蛋;而一勺沸水所含热量可能很少,却可以烫伤人。所以一样多的两个热量,如果它们的温度不同,产生的客观效果也不同,有区分的必要。另一方面,热力学第一定律只告诉我们某一变化过程中的能量关系,并没有告诉我们这个变化过程进行的方向。比如,在两个温度不同物体所组成的孤立系统中,热力学第一定律只告诉我们,如果他们有热交换的话,则一个所得的热量必然等于另一个所失热量,但热力学第一定律并没有告诉我们是哪一个失去或者是哪一个得到热量事实上,我们知道温度高的物体失去热量,温度低的物体得到热量。说明,自然界进行的能量转换过程是有方向性的。自发过程的方向性和不可逆性:大家回忆一下,上节课我们讲过,不需要外界帮助就能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。例如:传热过程就是典型的例子,即热能只能自发的从高温物体向低温物体传递,却不能自发地由低温物体传向高温物体。再比如摩擦生热,机械能可以不花代价的全部转换成热能,而热能却不能全部转变成机械能。这说明机械能是有序能,而热能是无序能(能量可以区分为有序能和无序能,有序能之间可以无条件转换,但若是能量转换和传递的过程中有无序能参与,就会产生转换的方向性和不可逆性),机械能和热能的转换是有方向性且不可逆的。因此,机械能转换成热能是自发过程,反之则为非自发过程。由此可见,自发过程都是朝着一定的方向进行的,若想要使自发过程反向进行并回到初始状态,则需要花费代价,所以自发过程都是不可逆过程。不可逆的原因主要是过程中存在耗散效应。下面我们来看几幅图说明能量转换过程是有方向性的。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以上几种能量的传递都是有方向性自发的过程,都朝一定的方向进行,都是不可逆过程。这种过程的方向性反映在能量上,就是能量有品质的高低。有序能之间可以无条件转换,但当能量转换或传递有无序能参加时就会产生转换的方向性和不可逆问题。因此有序能比无序能更有价值,质量更高。能量的“质”的属性遵循热力学第二定律。热力学第二定律是长期实践经验的总结;有多种不同表达方式,能量的“质”的属性遵循热力学第二定律。其实质就是能量贬值原理。还是拿摩擦生热做例,由于摩擦,机械能全部转换成热能,即有序能变成了无序能。从能量的数量上看没有变化,但从品质上看却降低了,即它的使用价值变小了。这种情况就是能量贬值。因此从能量的品质上看,摩擦使高品质的能量贬值为低品质的能量。能量贬值原理一个封闭系统中的任何自发性变化,都必然朝着能量贬值的方向发展。高品质的能量可以全部转换成低品质的能量;能量传递过程也是自发地朝着能量品质下降的方向进行;能量品质提高的过程不可能自发地单独进行,一个能量品质提高的过程必然同时伴随另一个能量品质下降的过程;即这个能量品质下降是实现能量品质提高过程的必要的补充条件。上述的贬值原理深刻的指明了能量转换和传递过程的方向、条件及限度。仍然以热能和机械能之间的转换为例,机械能可以自发地无条件地转换为热能;热能转换成机械能则是有条件的。即使在完全理想的可逆条件下,也不能连续不断的把热能全部转换成机械能,总有一部分热能不可避免地要传给低温物体,而无法转换成机械能,即必须以部分热能从高温物体传向低温物体作为补偿条件才能实现热能转换成机械能这一能量品质提高的过程;因此任何实现热能转换成机械能的热机效率都不可能是100%。在完全可逆的条件下,可以算出热能转变成机械能的最高理论限度。但现实中,由于不可逆因素,热能转换成机械能的数量必定低于这个理论限度。热力学第二定律是长期实践经验的总结;有多种不同表达方式热力学第二定律表述一—克劳修斯(Clausius)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变化。指出了热量传递过程的单向性。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。说明在自然条件下,热量只能从高温物体向低温物体转移,而不能由低温物体自动向高温物体转移。即在自然条件下,这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来,只有靠消耗功来实现。热力学第二定律表述二—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。否定第二类永动机永动机与热力学定律第一类永动机:不消耗能量而能永远对外做功的机器。(被热力学第一定律否定)第二类永动机:能够从单一热源取热,使之完全变为功而不引起其他变化(被热力学第二定律否定)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。能量转换和传递过程的方向、条件及限度。能量从“量”的观点看,只有是否已利用、利用了多少的问题;而从“质”的观点看,还有个是否按质用能的问题。所谓提高能量酌有效利用,其实质就在于防止和减少能量贬值发生。以机械能和热能之间的转换为例:机械能可自发无条件转换为热能;热能不可以全部转换为机械能,总有一部分热能不可避免地传递给低温热源,即必须一部分热能从高温传向低温作为补偿条件。热力学第一、第二定律总结热力学第一定律和热力学第二定律是两条互相独立的基本定律。前者揭示在能量转换和传递过程中能量在数量上必定守恒;后者指出在能量转换和传递过程中,能量在品质上必然贬值。一切实际过程必须同时遵守这两条基本定律,违背其中任何一条定律的过程是不可能实现的。能量从“量”的观点来看,只有是否已利用、利用了多少的问题;而从“质”的观点看,还有个是否按质用能的问题。所谓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。狭义上的能量转换:能量转化效率问题根据能量贬值原理,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在给定的环境条件下,可以连续地完全转换为任何一种其他形式的能量,又称有用能或有效能。不可以转换的能量,又称无用能或无效能。一切形式的能量都可以表示成:能量=+或者E=Ex+An各种不同形式的能量,按其转换能力可分为三大类:(1机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等;(2)有限转换能(部分转换能),如热能、流动体系的总能;(3能转换为功。在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标。由于存在着耗散作用、不可逆过程以及可用能损失,在能量转换和传递过程中,各种热力循环、热力设备和能量利用装置的效率都不可能达到100%。效率=可用能输出/总能量输入燃料电池蒸汽轮机人运动荧光灯内燃机白炽灯火电站的能量转换效率是多少?MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustionSteamturbine93%46%98%煤化学能,1电能,0.42蒸汽的热能0.93机械能,0.43蒸汽轮机燃烧效率Overallefficiency:93%×46%×98%=42%狭义上的能量转换--能量形态上的转换1.化学能转换为热能2.热能转换为机械能3.机械能转换为电能在能量利用中最重要的能量转换过程是将燃料的化学能通过燃烧转换为热能,热能再通过热机转换成机械能,机械能既可以直接利用,也可以通过发电机再将机械能转换为更便于应用的电能。将燃料的化学能转变为热能是在燃烧设备中实现的。主要的燃烧设备有锅炉和各种工业炉窑。将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。转换过程通常是在热机中完成。应用最广的热机是内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。1、内燃机主要为各种车辆、工程机械提供动力。2、蒸汽轮机主要用于发电厂中,也可作为大型船舶的动力,或拖动大型水泵、压缩机、风机。3、燃气轮机除了用于发电外,还是飞机的主要动力源,也可用作船舶的动力。1.化学能转换为热能1.1概述在上一章我们讲过热能的产生,可以由燃料燃烧,核能转换,太阳能转换,地热能,电能转换而来。而燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。能在空气中燃烧的物质称为可燃物,但不能把所有的可燃物都称作燃料(如米和沙糖之类的食品)。所谓燃料,就是
本文标题:课件第2章-能量的转换与存储
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