第七章物理学是能源科学的基础

与地热发电相比，地热能的直接利用有三大优点： *热能利用效率比传统地热发电5％－20％的热能利用效率 高出很多； *开发时间短得多，且投资也远比地热发电少； *地热直接利用，既可利用高温地热资源也可利用中低温 地热资源，应用范围远比地热发电广泛。
上世纪70年代初以来，由于能源短缺，地热能作为一种具 有广阔开发前景的新能源日益受到关注。地热能除了用于发 电之外，更为大量地直接用于采暖、制冷、医疗洗浴和各种 形式的工农业用热，以及水产养殖等。
主要成因：大气中大量的硫化物、氮氧化物与水蒸气 反应生成硫酸、硝酸等酸，和雨雪一起降落
危害：影响农作物生长，破坏生态平衡，腐蚀建筑物 措施：使用低硫燃料，减少硫化物的排放
(2)温室效应 主要成因：
大气中大量的二氧化碳容易吸收 太阳光中的长波部分和地面热辐 射的长波部分，使地球的热量散 发不出去，好象处在温室中
热 非自发 功
在焦耳实验中，重物下降带动轮浆克服水的摩擦力作功， 此功转变为热使水温度变高，这就是功变热过程。相反的 过程是：水自动冷却而把重物提起来。 一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆过程。
(2)热力学第二定律是实验定律，是第一定律的补充； 热力学第二定律的另一种表述： 第二类永动机不可实现
四、物理学在能源利用和开发过程中的作用
物理学为能源科学的发展和能源的利用提供理论和实验基础
能源利用史 的三次革命
物理学的贡献
蒸汽机的发明和使 用（18世纪初）
电能的使用 （19世纪初）
原子能的利用 （20世纪下半叶）
改善热机性能，提高热机效率， 促进了热力学的发展
建立完整的电磁理论，制造了发电机、 电动机、电灯、无线电通信等，改变 了人类生活面貌；
主要内容
地球上的能源概况 能源种类 能源利用对环境的影响 人类对能源的利用和开发情况 （热能、电能、 机械能、 太阳能、 氢能、核能）
§7.1 能源概况
一、能源的分类
1、按能量的来源可以分为： 来自地球外天体的能量：太阳辐射能 地球本身蕴藏的能量：地热能、核能 地球与天体之间的相互作用产生的能量：潮汐能
三、电能（二次能源）
直流电产生的能量： E UIt
U 0.707Um
交流电产生的能量： E UIt
I 0.707Im
Um , Im 为峰值电压和电流；
U , I 为电压的有效值和电流的有效值。
电能在电线中传导时要损失电能： E UIt I 2Rt
要减少电能在传输中的损失，必须尽量减小电流，增大传输
建立原子核裂变和核聚变的理论， 建成核电站，解决能源危机
§7.2 能源的利用和开发
一、热能到机械能的转换 1、蒸汽机的发明 燃料
燃烧
热机
热能
机械能
1698年萨维利和1711年纽可曼先后发明了蒸汽机。
1765年瓦特进行了重大改进 ，大大提高了效率。
瓦特改良的蒸汽机原理图
2、热机效率
热机效率表达式
W Q吸
3、光化学转换方式 利用光和物质相互作用引起的化学反应。 用途：光化学电池、分解水制氢等。 研究热点：利用仿生技术模仿植物的光合作用。
六、氢能 1、氢能特点： 优点：热值高（是汽油的3倍）、易燃烧（易燃气体）、来 源广（可以从水中提取）、污染少（燃烧生成物无污染）。 缺点:制备成本高; 贮存密度小 2、制备方法： (1)电解水制氢 耗能大，成本高
水蒸气、甲烷、一氧化二氮、氯氟烃物质（氟氯化碳） 也是温室气体。
对森林的无限制滥砍滥伐也是全球变暖的原因。因为 树木能储存二氧化碳，可以快速或逐渐地释放出来。
危害：使地球温度升高，冰川融化，海平面升高，气候干 旱，环境恶化
预言：二氧化碳的浓度翻一番，将会产生以下后果: 极地冰冠部分融合及水的热膨胀使洋面升高15-95cm； 气候带北移500km；树种及其它物种灭绝； 冰川在世界范围内消退；近海陆地将会被淹没； 热带疾病向北蔓延；干旱、洪水、暴雨、飓风等更多 热的日子和极少较冷的日子；农业方面在温带的收获 量可能会增加，在赤道区域减少；水的蒸发量增加， 造成进一步变暖。
电压。步骤是：将发电站发出的交流电用变压器升高电压后，
可以输到离电站很远的地方去；用户再利用变压器将电压降
低为所需要的电能。
四、机械能 1、水力发电：在河流上选择合适的地方修筑拦河坝提高上游 水位，当水流下时转化成的动能也越大。水通过进水闸门和 导管流下来带动水轮机工作，从而带动发电机发电． 2、风能：由于太阳辐射造成地球各部分 受热不均匀，空气流动产生能量，再转化 为其他能量。
1974年，化学家莫利纳和罗兰发现CFC可以慢慢升到高 空中保持几十年甚至若干世纪，太阳的紫外辐射会将之分解 为氯自由基，破坏臭氧层。
反对的意见：人类的活动很渺小，远不能改变地球的环境；
火山喷发和物体燃烧的氯进入大气的量要远远超过CFC。 危害：使照射到地球上的紫外线增多，破坏生态平衡。
皮肤癌、白内障的患者将会增多；皮肤过早老化；生 活在海洋表面附近的微生物和动物连同贝类和鱼类一起 减少；农业减产；最严重的南极地区生物链遭到破坏。 措施：减少含氯氟烃物质和氮氧化物的排放。 三、能源危机 人口的增长造成能源的大量消费；非再生能源面临枯竭。 能源革命的两大重点是开发新能源和提高能源的利用率。 重点开发太阳能、核能、风能、地热能、海洋能等
运动中所具有的动能和势能统称为潮汐能。 潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建筑一座拦水
堤坝，并在坝中或坝旁放置水轮发电机组，利用潮汐 涨落时海水水位的升降，使海水通过水轮机时推动水 轮发电机组发电。从能量的角度说，就是利用海水的 势能和动能，通过水轮发电机转化为电能。
五、太阳能 太阳能经过大气的吸收和反射，只有很少的能量到达地面。
第一类永动机：不需要任何动力和燃料，却能对外作
功的机器。
( 1)
4、热力学第二定律 (1)热力学第二定律的两种表述：
①克劳修斯表述：
热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。
高温 自动 低温
非自动
低温
高温
②汤姆逊表述 ：
不可能从单一的热源吸收热量，使之完全变成有用的功，
而不产生其它影响。
自发 功
热
2、按照能源的形成可以分为： 一次能源：天然能源（煤炭、石油、天然气） 二次能源：人工能源（汽油、电能）
3、按能源的使用方法可以分为： 燃料能源（不可再生能源）；非燃料能源（可再生能源） 4、按照能源的使用情况可以分为： 常规能源：已经被广泛使用的能源（煤炭、石油、水力） 新能源：未被大规模利用的能源（核能、太阳能、海洋能）
到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化 为风能，但其总量十分可观。全球的风能比 地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
风能的优点:利用比较简单，造价低廉，不 会造成污染;缺点是不稳定．
3、海洋能 潮汐能：利用海水涨潮时的动能和落潮时的势能差 带动发电机发电。
海浪能：海浪也具有很大的 机械能，但是目前 并没有真正利用起来。
温差能：海水表层和深层存在约20度的温差，可以通 过热力循环方式变为机械能，再转化为电能。 目前正在研究利用方法。
潮汐发电:由于引潮力的作用，使海水不断地涨潮、
落潮。涨潮时，大量海水汹涌而来，具有很大的动能， 同时水位逐渐升高，动能转化为势能;落潮时，海水奔 腾而去，水位陆续下降，势能又转化为动能。海水在
二、能源与环境
人类生活依赖能源， 能源的使用造成环境污染， 危害人类生活。
1、大气中的污染物来源主要有： (1)燃料能源的燃烧形成大量的硫化物、氮氧化物和粉尘等； (2)大量的汽车放出的尾气燃料燃烧时形成的污染物外，还 含有大量的铅化物，是大城市的主要污染源； (3)工业废气
2、大气污染造成的危害 (1)酸雨
二、热能
1、天然气的开发 天然气是以甲烷为主的碳氢化合物的混合物。 优点：污染少，热值高，成本低，运输使用方便。
2、地热能
地球内部蕴藏着巨大的热量，由地球 内部的放射性和压力在地下产生。其 地心温度大约为4000℃，热能持续不 断地流向地面，从地表辐射出去并消 失在太空中。地温随深度的增加而升 高（每深入一公里，温度升高30度）
用途之一是冷却剂，化学名称为氟利昂。从50年代开始， 带来了空调产业的革命。
在40年中CFC带动一大批产业而从来没有引起异议。 1973年，一批科学家考虑：氯氟烃物质到底到哪里去 了？它的本性不活泼，应该仍然留在大气中。 1973年，两位科学家在研究火箭进入高空时的化学排 放物对大气的影响时偶然发现氯自由基与臭氧的连锁式反 应，即一个氯自由基可以破坏100000个臭氧分子。
措施：节约能源，减少化石燃料的使用，大量更新树木
(3)臭氧层空洞 主要原因： 氟利昂的排放使氯氟烃物质和 化石燃料燃烧时释放的氮氧化 物与臭氧反应，消耗臭氧。
1931年通用汽车公司首先合成CFC(含氯氟烃)。它通常情 况下是气体，在高压下变为液体。化学性质不活泼，对人 体无害，对机械装置无腐蚀性，在大气中不可燃，制造费 用低廉。产量很大。
太阳能电池的重要参数是光电转换效率。 非晶硅太阳能电 池的转换效率约为10%， 成本低；
Ga 晶As体太阳能电池
转换效率可达20%以上， 但成本高。
应用：可以作为手表、收音机、灯塔、汽车、飞机和 卫星上的电源。
研究热点： 太阳能轿车、 太阳能纤维、 提高太阳能的 光电转换率， 降低成本。
2、光热转换方式 利用太阳能设备中的吸收面（能够有效地吸收太阳能） 吸收大量的太阳能，并转换为热能。 用途：供暖、干燥、烹调、加热物体等 （太阳灶、农用温室） 研究热点：利用太阳能进行热发电。
Q吸 Q放 Q吸
1 Q放 Q吸
输出的功 输入的能量
Q吸 定义为整个循环过程中吸收热量 Q放 定义为整个循环过程中损失热量
高温热源
Q吸
W Q吸 Q放 是一个循环过程中对外作的功
W