1-能源与节能技术概论

马力和瓦特之间的换算
• 1 马力(HP) ＝ 75 公斤· 米 / 秒 • 如果把做功的单位改换成瓦，即牛 顿· 米，则 • 1马力 ＝ （75×9.8）· 米 / 秒 ＝ 735 w ＝ 0.735 Kw • 1匹 ＝ 735瓦（W） ＝ 0.735 千瓦 (KW)
“两匹马力的马车”
人类进步和能量使用的比较
• 如果这些能量（一度电的能量） 全部用来加热1000公斤20℃的水 （水的比热容为4.186 J/g）， 则可以使水温升高：= 0.86℃ • 在国际单位实行之后，热和功的 单位都是焦耳，省去了人们换算 热功当量的麻烦，给工程计算带 来很大的方便。
功
率
• 指物体在单位时间内所做的功，即功率是 描述做功快慢的物理量 ；
•W = F × S
千克-牛顿
• 力的单位是牛顿，1千 克（公斤）力 = 9.8 牛顿 • 功的单位是焦耳（J）。 1焦耳 = 1牛顿· 米 ， 也意味着，以一牛顿 力，拖动物体在力的 方向上，移动1米距离 所做的功，即为 1 焦 耳。
力和功的概念
• 力和功是两个完全不同的物理概念。 • 力是物体间的相互作用，作用的结果会使 物体发生形变或使物体的运动状态发生变 化； • 做功则包括两个必要的因素：作用在物体 上的力和物体在力的方向上通过的距离。 • 力有大小、方向、作用点三个要素；而功 只有大小，没有方向。
人力的极限
• 按照功率的定义公式 P=W/t • 那么，假如这个人的功率有1马力，那么他 每秒钟可以做功735焦耳，可以在如下时间 完成登顶： • t = 235200/735 = 320 秒 • 但是从美国帝国大厦每年举办的爬楼梯比 赛，参赛者从第一层登至86层，共1574个 阶梯，高度恰好也是320米，去年的记录是 619秒：参赛者多尔德以10分19秒的成绩打 破了赖特贝格尔前年10分24秒的纪录。
热 能
• 热能是能量最基本的形式； • 一切其他形式的能量，都可以完全的转换 为热能，而且绝大多数的一次性能源，都 是首先转换为热能后才加以利用的，热能 在所有的各种能量形式中，有着特殊的重 要地位； • 宏观的讲，热能也是一切能量形式的最终 归宿。
热能的利用
• 热能是最重要的能 量存在形式； • 有了热能就可以驱 动动力机，从而获 得电能、机械能、 光能、化学能等多 种形式的能量。 • 石油、煤炭、天然 气等能源，都是提 供热能的资源。
国际单位制基本单位
• 国际单位制基本单位是一系列由物理学家 订定的基本标准单位。缩写为SI，国际单位 制共有七个基本单位。 • SI制：七个基本单位：长度m，时间s，质 量kg，热力学温度（开尔文温度）K，电流 A，光强度cd（坎德拉），物质的量mol • 二个辅助单位：平面角弧度rad，立体角球 面度Sr
•
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功与能的换算
• 1千卡热量同427千克米的功相当，即热功 当量J=427千克米/千卡=4.1840焦耳/卡。 • 在热水制备行业经常需要使用的一个热功 当量值是，一度电有多少热值？ • 可以烧多少热水？那么我们通过上面介绍 的热功当量，可以得出： • 1度电 = 1000wh=1000×3600J=3600KJ(860 Kcal)
功率的概念
• 功率表示做功的速度，1瓦的功率，意味着 在一秒钟时间内，做功 1 J（焦耳）。 • 比如一只家庭常用的大日光灯管，就是40 瓦； • 家庭用燃气灶的大火炒菜时，功率大约为 2500-3000瓦 • 日常生活中仅习惯于用瓦表示电器具的功 率，实际上锅炉、发动机等也可用瓦表示 工作能力。
热能的定义
• 构成物质微观分子运动的动能和势能的总和 称为热能。 • 热能的外在表现为温度的高低，温度反映了 分子运动的剧烈程度。 • 通常热能Eq可表述成如下的形式：
E q T dS
温差与势能
• 热能，必须有参照的“环境”温度， 才能够衡量热能的多少； • 例如，30℃的热水，如果在相同的 30℃的环境下，它就没有“有利用价 值”的热能，不具备做功的能力； • 但是，如果在-50℃环境下，它就具备 了“能”，具有做功的能力。
• 物质守恒定律，是这样定义的：“物质不 会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一 个种形态转化成另一种形态。” • 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失， 它只能从一种形式转化为别的形式； • 或者从一个物体转移到别的物体，在转化 或转移的过程中其总量不变”
不可能制造出永动机
• 永动机是一类所谓不需 外界输入能源、能量或 在仅有一个热源的条件 下便能够不断运动并且 对外做功的机械。不消 耗能量而能永远对外做 功的机器，它违反了能 量守恒定律，称为“第 一类永动机”。
James Joule (1818~1889) 焦耳
• 热力学第一定律：能量守恒 • 能量可以从一种形式转换为另一种形式。转换的特 点是 • 1、转换的终点是热能 • 2、能量的品质会不断下降
测量电热热功当量的装置
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卡诺、焦耳
尼古拉· 莱昂纳尔· 萨迪· 卡诺， 为纪念他对热力学的贡献， 以他的名字作为热量的单位； • 1卡（Kal）表示1克水升高一 度所需要的热量，但是在国 际单位制中，热量也采用焦 耳为单位；他的主要贡献是 为热力学第二定律奠定了基 础。 • 热泵业奉其为鼻祖，热泵循 环也被称为逆向卡诺循环。
热力学温标
• 开氏温度，也称为绝对温度，是由威 廉·开尔文男爵于1848年利用热力学 第二定律的推论卡诺定理引入的。是 热力学和统计物理中的重要参数之一 。一般所说的绝对零度指的便是0 K， 对应零下273.15摄氏度。 • 0K表示物质的分子活动完全静止，是 自然界不存在的一种状态
热力学第一定律
• 在现代工业社会之 前，人类能够掌握 的动力是十分有限 的； • 上图是秦始皇乘坐 的御用马车模型， 称为“驷马”； • 其功率还不到现代 一辆125mL摩托车 的一半。
一个壮年人的“功率”
• 一个壮年人的“功率”远低于1马力 ，举 例： • 一个体重75公斤的人，如果从一楼爬上100 层高的大厦，假定每层的平均高度为3.2米， 总高度则为320米，如果不计人体散热和摩 擦部分的耗能，那么他登高到顶后所做的 功为： • W = 75×9.8×320 = 235200J = 235.2 KJ
• 当汽车速度为60公里/小时时，其速度单位 换算为米 / 秒时，为16.67m/s，根据公式， 此时它的动能为：
速度增加2倍，动能增加4倍
• 而当汽车速度为120公里/小时时，其速度 单位换算为米 / 秒时，为33.33m/s，根据 公式，此时它的动能为
• 当它行驶至相对上升了100米高度时，它所 具有的势能为： • E = mgH = 1500×9.8×100 = 1470000J = 1470 KJ • 处于100米高处的汽车所含有的能量（势 能），比已经具有120公里/小时速度的汽 车的动能大的多，假如让它们都关闭发动 机而滑行的话，100米高处的汽车会滑行的 更远。
能源与节能技术概论
(第一课)
什么是能量？
• 能量是衡量物体做功能力的物理量；
• 所谓能量是“做功的能力”；无论何时何 地，只要你看到有物体在运动，那么就一 定有能量参与； • 无论何时何地，只要你看到有物体被加热 或被点亮，那么就一定离不开能量。
能量是普遍存在的物质形式
• 宇宙间一切运动着的物体，都具有能量， 人类的一切活动都与能量及其使用紧密相 关。 • 所谓能量，也可以说就是“产生某种效果 （变化）的能力”。 • 反过来说，产生某种效果（变化），必然 伴随能量的消耗和转换。
人的体能
• 美国帝国大厦举办的 第29届爬楼梯比赛， 德国人托马斯· 多尔德 力挫上届冠军鲁道 夫· 赖特贝格尔，获得 男子组冠军，成绩是 10分19秒。 • 假如他重量为75公斤 的话 ，有半个多马力
能量的分类
• 能量是一切物质运动、变化和相互作 用的度量，它反映了一个物质体系同 外界交换功和热的能力的大小。 • 能量有多种存在形式，一般的，人们 用六种能量形式对能量实行分类： • 机械能、电能、热能、化学能、辐射 能、核能
能量转换的效率不可能超过100%
• 热泵之外的所有热水 器都是能量的转换装 置，效率低于100%； • 热泵热水器是能量的 “搬运装置”，消耗 少量能量，提升环境 的低温热量至使用温 度，效率可达500%
力、功和功率
• 能量的定义是物质 做功的能力，那么 什么是“功”？ • 功的定义，是指： “物体的力和在力 的方向上移动一定 距离的乘积”。 • 则其所做功的表达 式为
动能和势能的定义
• 机械能是与物体宏观机械运动或者空间状 态相关的能量 ； • 前者称之为动能，例如运行中的列车；而 把后者称之为势能，例如水坝内蓄高水位 的水。 • 动能的定义式：
• 势能的定义式：Ep = mgH
动能与势能的例子
• 一辆总重量为1500公 斤的小型轿车，在以 60公里/小时和120公 里/小时的速度匀速行 驶时分别具有怎样的 动能？ • 在它行驶至相对上升 了100米高度时所具有 的势能又是多少呢？
功和功率的定义
• 功：物体在力的方向上发生位移，单位是 焦耳； • 功率是指物体在单位时间内所做的功，是 表示做功快慢的物理量。单位是瓦特。 • 功率的公式 P = W / t
• 1 瓦 = 1 焦耳 / 秒 （1w = 1 j / s ）; • 1 瓦 = 1 伏特 X 1 安培；
• 1瓦：一秒钟用一牛顿的力将物体移动一米
功率单位——马力的定义
• 另外一个重要的功率单位，即“马力”， 至今还在许多场合保持应用，一马力也称 一匹马力，在热泵热水器产品上经常提到 的1匹机、5匹机、10匹机等，就是以马力 为单位的。 • 一匹普通的马，以每秒一米的速度，用75 公斤的力拉车，所以就确定了马力的单位 是： • 1 马力(HP) ＝ 75 公斤· 米 / 秒 • 马力，大约等于一匹英国役马的持续（如 一小时）工作能力。
温度与温标
• 要确定热量，首先要确立温度单位的概念 • 华氏温度德国人华伦海特（Gabriel D. Fahrenheit， 1686—1736）命名的[1] 。1714年他发现液体金属水银比 酒精更适宜制造温度计，以水银为测温介质，发明了玻璃 水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的冰点温度为温 度计的零度，人体温度为温度计的100度。冰的熔点为 32℉，水的沸点为212℉，中间有180等分，每等分为华氏 1度，记作“1℉”。 • 瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯于1742年提出 • 摄氏温度的含义是指在1标准大气压下，纯净的冰水混合 物的温度为0度，水的沸点为100度，其间平均分为100份， 每一等份为1度，记作1℃。 • 华氏度=摄氏度×1.8+32
功 • 功率的公式为P功率 = 时间
• 式中： P表示功率，单位是“瓦特”，简 称“瓦”，W表示功，单位是“焦耳” • 时间单位为“秒”
功率的单位——瓦特
• 詹姆斯· 瓦特，工业革 命时期最重要的科学家 之一； • 他改进了当时相当原始 的蒸汽机并使其具有实 用价值，推动世界进入 工业时代； • 后人把功率的单位以他 的名字命名，符号为 （瓦）。
功和能的转换及热功当量
• 焦耳（James P. Joule，1818—1889）， 英国物理学家，是最先用科学实验确立能 量守恒和转化定律的人。 • 他从1840年开始，到1878年的近40年的时 间内，利用电热量热法和机械量热法进行 了大量的实验，最终找出了热和功之间的 当量关系。 • 目前公认的热功当量值为：在物理学中的 J＝4．1868焦／卡
人类所认识的六种能量形式
• 由于物质存在各种不同的运动形态的方式， 因此，能量也具有不同的形式。 • 机械能 • 热 能 • 电 能 • 辐射能 • 化学能 • 核 能
能量和物质的关系
• 物质和能量也是可以相互转化的，1922年， 爱因斯坦在它著名的相对论里，揭示了能 量和物质质量之间的关系，即： • E ＝ m c² • 式中：E表示物质释放的能量Kj（千焦耳）； m 表示转换为能量的那部分物质的质量Kg （千克），c 表示光速，为3×10m/s。