《新能源材料与器件》教学课件—01能量物理化学.pptxVIP

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第一章 能源物理化学能量定律能量储存技术能量转换过程原电池与电解池电极过程动力学导论能源物理化学一物理化学是化学的一个分支,涉及物质的物理性能,现代物理化学包括化学热力学、动力学、平衡、光普和量子化学等。物理化学研究物质的不同物理状态(如气态、液态和固态),以及温度和光(电磁辐射)对其物理性能和化学反应的影响。能源物理化学主要研究物质的物理和化学状态性能,涉及能量守恒、贬值、储存及转换过程的物理化学原理。1.1能源定律1.1.1 能量守恒定律19世纪初期,不少人曾一度梦想着制造一种不靠外部提供能量,本也不减少能量的可以水远运动下去的机器(永动机)。即只需提供初始能量使其运动起来就可以永远地运动下去的一种机器,可以源源不断自动地对外做功。17-18世纪许多机械专家就已经论证了永动机是不可能的;热力学第二定律被发现后,这个梦想便不政自破。热力学第一定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步,第一次在空前广阀的领域里把自然界各种运动形式联系了起来。既为自然科学领域增加了崭新的内容,又大大推动了哲学理论的前进。1.1能源定律1.1.1 能量守恒定律能量守恒定律:自然界的一切物质都具有能量,能量既不能创查也不能消灭,而只能从一种形式转换成另一种形式,从一个物体传递到另一个物体。在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变根本原因:一是系统内各种形式的能量可以相互转换,且转换的量值一定相等(以下称为等量转换原则);二是系统内变化形式能量的减少量与变化形式能量的增加量相等。即ΣdE减少= ΣdE增加。1.1能源定律1.1.1 能量守恒定律对能量守恒定律的补充:①ΣE=常量,只是保证总能量守恒或总能量增量守恒,并不保证体系内的所有形式能量之间能量转换必须遵守等量转换原则;②能量守恒定律成立的条件:一是功和能的关系一一各种不同形式的能可以通过做功来转化,即功是能转化的量度。二是能量增量与各种形式能量之间的关系——各种形式能量的转换遵守等量转换原则,而ΣE=常量与ΣdE减少= ΣdE增加是结果。③能量守恒定律与总能量守恒(总改变量守恒)以及几种能量形式等量转换之间的关系是不可逆的,由能量守恒定律可得总能量守恒(总改变量守恒)以及能量形式等量转换,但由总能量守恒(总改变量守恒)以及几种能量形式之间等量转换是不能得到能量守恒定律的。④能量守恒有二,一是等量转换,二是总量守恒,二者不可或缺。⑤功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。1.1能源定律1.1.2 能量转换定律能量转化遵循的规律:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。自然界中能量是守恒的,但是由于能量的转化和转移是有方向性的,因此还存在能源危机。这就需要我们提高能源的使用效率。风能→电能机械能→电能1.1能源定律1.1.1 能量守恒定律电能→内能电能→化学能电能→机械能化学能→电能1.1能源定律1.1.3 能量贬值原理能量不仅有量的多少,还有质的高低。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。自然界进行的能量转换过程是有方向性的。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。热量总是从高温物体向低温物体传递气体总是从高压向低压膨胀水总是从高处向低处流动1.1能源定律1.1.3 能量贬值原理热量传递有方向性ColdHot1.1能源定律1.1.3 能量贬值原理热力学第二定律的克劳修斯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。热力学第二定律的开尔文 – 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。1.1能源定律1.1.3 能量贬值原理热力学第二定律的实质就是能量贬值原理,并指明了能量转换过程的方向、条件及限度。 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%。1.1能源定律1.1.3 能量贬值原理 一些常用能量转换装置的能量转换效率1.2能源储存技术机械能——以动能、势能形式储存。热能——以潜热、显热形式储存。电能——感应场能或静电场能。化学能、核能——自身即为储能形式。1.2能源储存技术1.2.1 机械能的储存以动能形式储存 飞轮以势能形式储存(1)弹簧、扭力杆和重力装置 (2)压缩空气储能 (3)抽水蓄能电站1.2能源储存技术1.2.1 机械能的储存中国抽水蓄能电站分布1.2能源储存技术1.2.2 电能的储存蓄电池发展方向:廉价、高效、能大规模储能。蓄电池作为电能储存系统燃料电池储能1.2能源储存技术1.2.2 电能的储存静电场和感应电场(1)电容器在直流电路

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