第七章能源-昆明理工大学工程力学实验中心.ppt

* 第七章 能源 能源是人类生存和发展须臾不能离的物质基础。国家的能源结构、能源政策、能源储备不仅与人民日常生活息息相关，也维系着国家安全和命运。 §7-1 实用的能量转化 第一章指出，能量是物质运动的一种量度，对应物质的不同运动形式有不同形式的能量。物体具有能量，就具有作功的本领。 能源：拥有人类有能力利用的能量的物体。 能源科学：有关认识、开发、利用能源的科学知识体系。 从物理学的角度看 认识和开发能源是通过实验和理论上的探索发现新的储能方式和储能物体。 利用能源是使能源储存的能量转换为其它形式储存的能量，并在转换过程中获所需的功。 经典力学阐明能量守恒定律：在与外界没有能量交换的系统，能量形式可以转化，但总量不变。热力学第二定律指出能量有退化的趋势。 实用的一些能量转化装置: 一. 热机 热机是将燃料燃烧释放的能量——热能转换为机械能的装置。 热机一般由五大部分组成：工作物质; 加热部分；输出机械能部分 ;冷却部分；加压部分，输水泵或压缩机等。 加热部分 冷却部分 加压部分 输出机械能部分 Q1 Q2 工作物质 输出机械能部分 锅炉燃烧燃料获得热能，热能通过转换装置将水变为有一定压力和温度的高温高压蒸汽，蒸汽膨胀获得动能，推动活塞作功是蒸汽机；推动叶轮再带动机械转轴旋转作功是汽轮机。 内燃机是汽油、柴油、轻油等液体或气体燃料在燃烧室内点火燃烧，燃烧产生的高温高压气体在气缸内膨胀，推动活塞作功获取机械能。按热力学过程不同，常见的有奥托循环和狄塞尔循环。 二.发电机 电动机 发电机是将机械能转化二次能源——电能的装置。 依据法拉第电磁感应定律，发电机的线圈（转子）在磁场（定子）中旋转产生电动势。例如可将水的势能转变为动能（mgH=mv2/2）驱动水轮机，运动气流驱动汽轮机，风力驱动风车等，这些装置的转动部分带动转子而发电。常用的是三相两极交流发电机。我国规定，工业用发电机转子转速3600转/分，定子产生频率为50Hz交流电。目前最好的火力发电机效率约为40%。 现发展的磁流体发电机，是直接把热能转化为电能的装置。由燃烧室、通道和磁体三大部分组成。燃料和氧化剂通过喷嘴注入燃烧室，点火后产生约3000K高温燃气，经喷管加速到约800m/s，气体分子电离成自由电子和正离子组成的导电气流（等离子体）。通道管放置在磁体的磁场中，且与磁场方向垂直。当导电气流进入通道时，在垂直于磁场和气流的方向产生感生电动势，实现热能直接转化为电能。与火力发电相比，省去锅炉和蒸汽管道系统，用导电气流取代转子，用磁体取代定子，省去机械转动部件，从而造价只有同容量火力发电机的1/4，效率达60%，热污染也小1/3左右。气体电离所需的高温与须承受3000K高温材料间的矛盾，使磁流体发电实用化遇到困难。 电动机是发电机的逆装置，也主要由两线圈组成。一组固定称为定子，用来产生磁场；另一组旋转称为转子，转子通以电流，在定子的磁场中受到磁力矩作用发生旋转，将电能转化为机械能输出。 三．电能转化为热能 焦耳给出电能与热能间的转化关系：电流强度为I的电流，通过电阻为R的导线，通电时间为t，则释放的热能（焦耳热）为 Q=I2Rt 这是最常见的电-热转换。 电弧式热转换是利用两电极电压升高时，电流急剧加大，极间气体形成热等离子体，电子、正离子与阳极、阴极相互碰撞产生高温（一般在3000K以上）。 电弧式热转换是利用两电极电压升高时，电流急剧加大，极间气体形成热等离子体，电子、正离子与阳极、阴极相互碰撞产生高温（一般在3000K以上）。电弧炼钢就是一例。 大块导体放在高频率变化电流产生的磁场中时，在导体上产生感应电流——称为涡电流。有很强的热效应。冶金用的高频炉达到精炼目的。高频率变化电流有在导体表面薄层流动的特性（趋肤效应），因而可使热处理元件表面温度升高，实现表面淬火。市售的新型炊具电磁炉也是利用了涡电流的热效应。 各种照明设备还可方便地将电能转换为光能。 相对论给出质能关系式E=mc2，指出质量的变化必然伴随着能量的变化ΔΕ=Δmc2，从而揭示了利用核能的可能性，人类在20世纪下半叶从电气时代进入到核能时代。 §7-2 常用