能源化學工程的概論第一章(編輯修改稿)
2025-02-14 02:27 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 六種能量形式 自然界的一切物質(zhì)都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體；在能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程中，能量的總量恒定不變 一個封閉系統(tǒng)中的任何自發(fā)性變化，都必然朝著能量貶值（熵增）的方向發(fā)展，而最后的平衡狀態(tài)，則對應(yīng)于熵的最大可能值。 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律：熱力學第一定律 能量貶值原理：熱力學第二定律 能量相互轉(zhuǎn)換 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律 James Joule (1818~1889) 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律 ?熱力學第一定律：能量守恒 ?系統(tǒng)的內(nèi)能 =系統(tǒng)吸收的熱量 +對系統(tǒng)做功 任何處于平衡態(tài)的熱力學系統(tǒng)都有一個狀態(tài)參數(shù) U（內(nèi)能）。系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)時，內(nèi)能等于系統(tǒng)吸收的熱量和系統(tǒng)對外做功之和。 能量貶值原理 ? 能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低。熱力學第一定律只說明了能量在量上要守恒，并沒有說明能量在 “ 質(zhì) ” 方面的高低。 ? 自然界進行的能量轉(zhuǎn)換過程是有方向性的。 ? 不需要外界幫助就能自動進行的過程稱為自發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。自發(fā)過程都有一定的方向 水總是從高處向低處流動 氣體總是從高壓向低壓膨脹 熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞 熱力學第二定律 克勞修斯說法： “ 不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化 。 ” 開爾文說法： “ 不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變成功而不產(chǎn)生其它影響 。 ” 能量貶值原理 能源 能源形態(tài)轉(zhuǎn)換過程 轉(zhuǎn)換機械或系統(tǒng) 水力、風力、潮汐、海流、波浪 太陽能 機械能 機械能 機械能 機械能 電能 光能 熱能 光能 熱能 機械能 電能 光能 熱能 電能 光能 電能 光能 化學能 光能 生物能 電磁波 電能 水車、風車。水輪機 —— 發(fā)電機，波力發(fā)電、風力 發(fā)電、潮汐發(fā)電、海流發(fā)電 熱水器，采暖、太陽灶 太陽能熱發(fā)動機，太陽熱發(fā)電 熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電 光電池 光化學電池 光化學反應(yīng)（水分解）光合成 能源 能源形態(tài)轉(zhuǎn)換過程 轉(zhuǎn)換機械或系統(tǒng) 核能 核分裂 熱能 機械能 電能 核分裂 熱能 核分裂 熱能 電能 核分裂 電磁能 電能 核聚變 熱能 機械能 電能 電能 光（激光） 熱能 電能 熱能 聚變 核發(fā)電，磁流體發(fā)電 核能煉鋼 熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電 光電池 核聚變發(fā)電 思考：氫氧化鈉在水中溶解，溫度升高；硝酸銨 在水中溶解，溫度要降低。這兩種物質(zhì)在 溶解過程中，能量的形式各發(fā)生了怎樣的 轉(zhuǎn)化？ 氫氧化鈉在水中溶解：化學能 → 熱能 硝酸銨在水中溶解：熱能 → 化學能 水電站發(fā)電 重力勢能 動能 電能 能量儲存 ? 機械能 ——以動能、勢能形式儲存。 ? 熱能 ——以潛熱、顯熱形式儲存。 ? 電能 ——感應(yīng)場能或靜電場能。 ? 化學能、核能 ——自身即為儲能形式。 機械能的儲存 ? 以動能形式儲存 （ 1）飛輪 ? 以勢能形式儲存 （ 1）彈簧、扭力桿和重力裝置 （ 2）壓縮空氣儲能 （ 3）抽水蓄能電站：純抽水蓄能電站 ，混合式抽水蓄能電站 飛輪動能儲存系統(tǒng) SatCon飛輪能量儲存系統(tǒng)可以提供常規(guī)鉛酸蓄電池 50倍的能量儲存容量 NASA 開發(fā)的飛輪能量儲存技術(shù) 液態(tài)空氣能量儲存系統(tǒng) 電能的儲存 ? 蓄電池 ? 發(fā)展方向：廉價、高效、能大規(guī)模儲能。 ? 靜電場和感應(yīng)電場 （ 1）電容器在直流電路中廣泛用作儲能裝置，在交流電路中則用于提高電力系統(tǒng)或負荷的功率因數(shù)，調(diào)整電壓； （ 2）高電壓技術(shù)、高能核物理、激光技術(shù)、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器； （ 3）超導磁鐵蓄能。 蓄電池作為電能儲存系統(tǒng) 超級電容器 燃料電池儲能 超導磁能量儲存 帶有超導磁鐵的飛輪電力儲存系統(tǒng) 化學能儲存 ? 一種高能量密度的儲存方法； ? 利用某些物質(zhì)在可逆化學反應(yīng)中的吸熱和放熱過程來達到熱能的儲存和提取； ? 技術(shù)上困難，目前尚難實際應(yīng)用。 熱能的儲存 ? 顯熱儲存 ? 潛熱儲存 ? 化學儲存 ? 地下含水層儲存 能源與環(huán)境 聯(lián)合國最新公布的研究結(jié)果顯示，在過去 30年中，雖然國際社會在環(huán)保領(lǐng)域取得了一定成績，但全球整體環(huán)境狀況持續(xù)惡化。國際社會普遍認為，貧困和過度消費導致人類無節(jié)制地開發(fā)和破壞自然資源，這是造成環(huán)境惡化的罪魁禍首。 全球環(huán)境惡化主要表現(xiàn)在大氣和江海污染加劇、大面積土地退化、森林面積急劇減少、淡水資源日益短缺、大氣層臭氧空洞擴大、生物多樣性受到威脅等多方面，同時溫室氣體的過量排放導致全球氣候變暖，使自然災(zāi)害發(fā)生的頻率和強度大幅增加。 大氣環(huán)境的三大問題 20世紀 80年代中期，在南極上空發(fā)現(xiàn)了 臭氧空洞 ，它與地球變暖及所謂的 溫室效應(yīng) 和 酸雨沉降 問題構(gòu)成全球性的大氣環(huán)境問題，明顯地危及全人類的生存和繁衍，引起了國際社會的高度關(guān)注，使當今的世界環(huán)境問題具有明顯的時代特征。 臭氧層的空洞 2022年發(fā)現(xiàn)的臭氧空洞是有史以來觀測到的最大一次，達到 2950萬 km2的面積 。 ?南極上空的臭氧層是在 20億年的漫長歲月中形成的，可是僅在一個世紀里就被破壞了 60％。 ?目前全球臭氧層削減率正以每年 2%至 3%的速度在進行，如果任其發(fā)展，在 21世紀末，平流層臭氧含量將降至目前的一半以上，屆時，人類將會面臨一場空前的浩劫 ! 目前，不僅在南極，在北極上空也出現(xiàn)了 臭氧 減少的現(xiàn)象，美、日、英、俄等國家聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)，北極上空臭氧層也減少了 20%，已形成了面積約為南極臭
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