【正文】 終狀態(tài)而與過程的路徑無關的量，稱為狀態(tài)函數(shù)。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 熱力學第二定律 規(guī)定熱不能自發(fā)地從低溫物體移向高溫物體的定律 。 某一溫度下物質(zhì)得到的熱量除以溫度 ，得到的值定義為熵 S。 某體系的溫度為 T， 從外部向體系加人熱量 Δ Q時 ，熵的增量 Δ S可定義如下： Δ S=Δ Q/T 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 溫度不同的兩種物質(zhì)，設熱量 Δ Q從物質(zhì) 1移到物質(zhì) 2。這時，前者損失的熵是 Δ S1=Δ Q/T1，后者得到的熵為Δ S2=Δ Q/T2。 根據(jù)熱力學第二定律，必定是 T1＞ T2， 所以 S2S1。 由此可見，在不可逆過程中，體系的熵必定增加。 此外，沒有熵的增減的那類理想的狀態(tài)變化稱為可逆過程。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 卡諾循環(huán) 在利用蒸汽發(fā)電的發(fā)電廠，水作為工作流體，經(jīng)歷各種過程后返回原狀的工作過程，周而復始地進行，這種變化過程稱為熱循環(huán)。 將兩個理想的可逆等溫過程和兩個理想的可逆絕熱過程組合，所得到的熱循環(huán)叫做卡諾循環(huán)。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 1→ 2是等溫膨脹過程。 2→ 3是絕熱膨脹過程。 3→ 4是等溫壓縮過程。 4→ l是絕熱壓縮過程。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 循環(huán)是由理想可逆過程組成的 。 對外所做的功 W=Q1Q2。 熱效率 η = W/Q1=（ Q1Q2） /Q1 =1Q2/Q1=1 T2/T1 （ 理想可逆過程的熵 S一定 ， 因此Q=TS） 由此可知，高溫熱源的溫度越高、低溫熱源的溫度越低，熱效率越高。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 朗肯循環(huán)（蒸汽循環(huán)） 下圖朗肯提出的用水蒸氣和水做工作流體的循環(huán)，因此稱為朗肯循環(huán)。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 η =W/Ql=（ Ql一 Q2） /Q1 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 燃氣輪機 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 復合循環(huán)發(fā)電 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 設燃氣輪機的吸熱量 、 放熱量為 Q1和 Q2， 燃氣輪機的熱效率為 : 設蒸汽輪機的吸熱量 、 放熱量為 Q3和 Q4， 蒸汽輪機的熱效率為： 復合循環(huán)的熱效率能夠表示為 要提高這類循環(huán)的熱效率，首先應提高汽輪機的入口溫度，即增大 Q1。同時， Q2和 Q3也隨之增大，綜合熱效率 η c提高。 121 /)( Qg ??? 343 /)( Qs ???sggc ???? )1( ??? 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 原子能發(fā)電 普通礦物燃料，利用的是化學反應時分子內(nèi)放出的軌道電子的部分勢能。原子能利用的則是原子核反應時放出的原子核勢能。 原子由原子核及其周圍的軌道電子組成，原子核由質(zhì)子和中子構成。原子的序號是 Z、質(zhì)量數(shù)是 A，則 構成原子核的質(zhì)子數(shù)為 Z、中子數(shù)為 AZ，圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子數(shù)也是Z。 原子的化學性質(zhì)取決于軌道電子的數(shù)量，即取決于原子序號。因此把原子序號相等，即化學性質(zhì)相同，而質(zhì)子數(shù)不同的元素叫做同位素。 第 4章 能源轉(zhuǎn)換技術 單位核子（質(zhì)子、中子）的結合能 單位核子的結合能越大，意味著原子核越穩(wěn)定。例如鐵和錳等質(zhì)量數(shù)為 55左右的元素最穩(wěn)定。無論是質(zhì)量數(shù)為 235的鈾的原子核裂變成兩部分，還是兩個質(zhì)量數(shù)為 2的氖聚變成質(zhì)量數(shù)為 4的氦，結合能會出現(xiàn)多余部分，這部分能量可以釋放出來。 原子能發(fā)電 一、 核裂變反應 鈾 235核裂變時，一個原子的核裂變產(chǎn)生約 200MeV的能量。 1克當量的鈾 235核裂變的能量為 82GJ，相當于燃燒 量。 原子能發(fā)電 二、 輕水堆 原子反應堆，是控制核裂變反應，把所產(chǎn)生的能量以熱量的形式安全地放出的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括核燃料、中子減速材料和控制棒、冷卻材料 。 按照使用的材料分類，原子反應堆可以分成石墨堆、輕水堆、重水堆、液體金屬冷卻堆、氣體堆等。 世界上建成最多的是輕水堆。輕水堆按冷卻水壓力不同分為分壓水堆和沸水堆。 原子能發(fā)電 （一）壓水堆 反應堆內(nèi)壓力高達 150大氣壓左右，冷卻水被加熱到320℃ 左右高溫，但并不沸騰。冷卻水送入蒸汽發(fā)生器。在蒸汽發(fā)生器中，使 二 次冷卻水沸騰，變成蒸汽進到汽輪機做功發(fā)電。 原子能發(fā)電 燃料芯塊是由二氧化鈾燒結而成的，含有 2～ 4%的鈾－ 235，呈小圓柱形，直徑為 ，裝在兩端密封的鋯合金包殼管中，成為一根長約 4米、直徑約 10毫米的燃料元件棒。 把 200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，組成燃料組件。每個堆芯一般由 121個到 193個組件組成。這樣，一座壓水堆所需燃料棒幾萬根，即 1千多萬塊二氧化鈾芯塊堆芯。 原子能發(fā)電 控制棒用銀銦鎘材料制成，外面套有不銹鋼包殼，可以吸收反應堆中的中子，用來控制反應堆核反應的快慢。 如果反應堆發(fā)生故障，立即把足夠多的控制棒插入堆芯，在很短時間內(nèi)反應堆就會停止工作，這就保證了反應堆運行的安全。 原子能發(fā)電 （二） 沸水堆 冷卻水在約 70個大氣壓下沸騰 ，產(chǎn)生的蒸汽送入汽輪機做功發(fā)電。 原子能發(fā)電 三、快中子增殖反應堆 利用鈾 238進行裂變反應，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兊念?239（制造核彈材料）。 在從鈾 238向钚 239的轉(zhuǎn)換中，中子的能量越大轉(zhuǎn)換率越高，因此出現(xiàn)了核裂變中子不減速、發(fā)生連鎖反應的反應堆 —— 快中子增殖反應堆。 為了保證钚的高生成率，不能用水做冷卻劑 。 這是因為中子和質(zhì)子的質(zhì)量相等，通過一次彈性碰撞，中子的能量就會全部被水的質(zhì)子吸收 。 原子能發(fā)電 液態(tài)金屬鈉的原子量較大，是質(zhì)量合適、導熱率高、不腐蝕的良好的冷卻劑。利用具有這種性質(zhì)的冷卻劑兼減速材料，每一次核裂變反應將生成一個以上的钚 239。 鈉的沸點高．出口溫度能提高為550℃ ，所以熱效率高。同時因為鈉蒸汽壓低，所以不需要像輕水堆那樣加高壓，不必擔心管路破裂引起的冷卻劑急劇喪失故障。 原子能發(fā)電 四、 核聚變發(fā)電 愛因斯坦早在 1905年研究相對論時就提出了 “ 質(zhì)量和能量在某種意義上是相當?shù)?” 思想 ， 這個思想可用一個方程表述：E=mc2。 這就是著名的“質(zhì)能關系”。它表明在任何過程中，放出的能量總是和相當?shù)馁|(zhì)量減少相關聯(lián)的。 原子能發(fā)電 1925年英國物理學家弗朗西斯 威廉 阿斯頓在用質(zhì)譜儀測量原子核質(zhì)量時發(fā)現(xiàn)，任何原子核的質(zhì)量要比組成該原子核的所有粒子的質(zhì)量總和要少些，這種現(xiàn)象叫做“質(zhì)量虧損”。 當兩個輕原子核結合成一個較重原子核時，由于質(zhì)量虧損而釋放出的能量稱為核聚變能。 原子能發(fā)電 核聚變反應的燃料是氘，作為穩(wěn)定的核物質(zhì)在天然的氫氣中含有％，因此，它是取之不盡的能源資源。 一個氘核和一個氚核結合成一個氦核時能釋放出 能量，平均每個核子放出的能量是裂變的好幾倍，是化學燃料的幾百萬倍 。 原子能發(fā)電 核聚變的臨界條件 （ 1） 獲得能夠克服庫侖力 ， 發(fā)生碰撞的速度 → 高的溫度 （ 2） 單位時間內(nèi)多次碰撞產(chǎn)生大的能量 → 高的氫密度 （ 3） 用所產(chǎn)生的能量促進下一次反應→ 長的能量箍縮時間 太陽能發(fā)電 一、太陽能發(fā)電及其特點 太陽能 發(fā)電的方式有多種，主要有太陽能光伏發(fā)電，光感應發(fā)電，光化學電和光生物發(fā)電等，其中太陽能光伏發(fā)電應用得 最 為廣泛。 太陽能光伏發(fā)電主要是利用半導體太陽電池的光伏效應發(fā)電。它是由法國物理學家皮奎雷爾在 1839年發(fā)現(xiàn)的。 伏打電池在受光照射的時候，能夠產(chǎn)生額外的伏打電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應，簡稱光伏效應。 太陽能發(fā)電 太陽光照射到 pn結半導體材料上時，光子同半導體中的原子價電子碰撞，產(chǎn)生電子 空穴對，光能就以產(chǎn)生電子 空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?p型和 n型交界面兩邊形成勢壘電場，就將電子驅(qū)向 n區(qū)，空穴驅(qū)向 p區(qū)，產(chǎn)生所謂的光生伏打電動勢。 太陽能發(fā)電 特點： ?沒有動力機械，是安靜的清潔的能源 ?維修方便，容易自動化 ?不論規(guī)模大小，均按一定的效率發(fā)電 ?由子采用模塊結構，容易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，規(guī)模效益大 ?使用漫射光也能發(fā)電 ?光發(fā)電可有效利用廢棄的能源 太陽熱發(fā)電 一、太陽能集熱板材料特性 太陽熱發(fā)電 ?需要集熱板具有的功能是，既能很好地吸收太陽光，又不使內(nèi)部積蓄的熱量散失（不發(fā)射紅外線）。 ?到達地面的太陽光的能量， 99%都含在波長為 ～ 4μ m的區(qū)域，因此要求集熱板在這一波長范圍內(nèi)吸熱率要高 。 ?集熱板的溫度高達近百度，其發(fā)射波長為2～ 10μ m 。 ? 3μ m以下的短波區(qū)吸收率高，在 2μ m以上的長波區(qū)發(fā)射率低的材料 。 ?銅氧化物（ CuxOy）、四氧化三鐵（ Fe3O4）、黑鉻鍍層（ CrxOy）、黑鎳鍍層（ NiS/ZnS） 太陽熱發(fā)電 集熱形太陽熱系統(tǒng) 塔式太陽能發(fā)電站 太陽熱發(fā)電 柱面集熱式太陽能發(fā)電站 太陽熱發(fā)電 分散式太陽能發(fā)電站 自然能的利用 一、水力發(fā)電 水力發(fā)電就是利用水力推動水力機械 (水輪機 )轉(zhuǎn)動，將水勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，機械能又轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。 作為常規(guī)電站使用 自然能的利用 作為調(diào)峰電站使用 在夜間等電力供給有余的時段，使用剩余的電能將水從下池提到上池；在白天等用電高峰的時段，可放流上池的水發(fā)電。 自然能的利用 二、 風力發(fā)電 太陽投射到地球上的輻射能有 20％左右被地球表面所吸收，這些能量中的一部分將大氣加熱，由于地球表面上的溫度差異較大，導致大氣的溫度也不一樣，這樣引起了大氣的流動，形成了風， 讓風推動風車旋轉(zhuǎn)，依靠由此獲得的機械能發(fā)電。 自然能的利用 風輪葉片 機頭 回轉(zhuǎn)體 尾舵 拉繩 自然能的利用 設受風的平面與風向垂直、截面積為A、風速為 v，空氣密度為 ρ ，單位時間內(nèi)通過風車的空氣質(zhì)量為 ρ Av。則風力發(fā)電功率為： 32 )2/1()2/1( AvvAvP ?? ??? 自然能的利用 三、 地熱發(fā)電 地熱發(fā)電是利用從地球內(nèi)部流出的熱發(fā)電的方法。 從地球表面到地球中心，每深入 l00米地球的溫度會提高 3℃ ，到地心溫度將達到 6000℃ 的高溫。 自然能的利用 地熱發(fā)電的兩種形式 自然能的利用 四、潮汐發(fā)電 潮汐發(fā)電，是利用潮水漲落時海面的水位差發(fā)電。 山東的白沙口潮汐電站和浙江的岳浦潮汐電站 自然能的利用 浙江的江廈潮汐電站 自然能的利用 五、 波浪發(fā)電 利用波浪上下運動，在浮動體內(nèi)造成連續(xù)的空氣流，空氣流推動空氣渦輪機葉片旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電。 自然能的利用 六、 海洋溫差發(fā)電 海面表層溫度為 20～ 35℃ ，而水深 500m處的溫度常年固定在 5℃ 左右，利用此溫差可以發(fā)電。 封閉循環(huán)法 使用氨、丙烷、氟利昂等低沸點介質(zhì)，用表層溫水使介質(zhì)蒸發(fā)，驅(qū)動蒸汽輪機，然后用深層冷水使其凝聚變成液體，再送到蒸發(fā)器，完成循環(huán)進行發(fā)電。 自然能的利用 封閉循環(huán)法 自然能的利用 開式循環(huán) 第七章 新能源的開發(fā)利用及 對環(huán)境的影響 所謂新能源，一般是指在新技術基礎上加以開發(fā)利用的可再生能源。 新能源主要有太陽能、風能、生物能、地熱能、海洋能、氫能、小水電、垃圾發(fā)電、天然氣和空氣能。 71 太陽能 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風能、太陽能、海洋能、水能等都來自太陽能。 一、太陽能利用方式 太陽能熱利用 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能 太陽能熱發(fā)電 利用太陽能