能源科学导论第二章能量的转换与储存
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（3）非转换能（废能）。
热力学的两个基本定律告诉我们：欲节约能源， 必须综合考虑能的量和质两个方面。
❖ 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%。
能量=火用+火无
❖ 火用：有用能或有效能，指在给定环境条件下， 可以连续地完全转化为任何一种其他形式的能量。
❖ 火无：无用能或无效能，指不可转换的 能量。
各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三 大类：
（1）无限转换能（全部转换能），如电能、 机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等；
（2）有限转换能（部分转换能），如热能、 流动体系的总能 ；
说明了能量“量”的多少，和能量之间的关 系
❖ 热力学第一定律：能量守恒 ❖ 系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功
第一类永动机
❖ 永动机是一类想象中的不需外界输入能源、 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。
❖ 某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而 向外放热或作功，这叫“第一类永动机”。 这种机器不消耗任何能量,却可以源源不断的 对外做功。
2 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。
❖ 贬值是指品质的贬值 ❖ 能量贬值原理即热力学第二定律。 ❖ 热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程
的方向、条件及限度。
❖ 自然界进行的能量转换过程是有方向性 的。
❖ 热力学是研究能量属性及其转换规律的科学
❖ 物质的能量主要取决于物质的状态，是状态 参数，只要物质运动状态一定，物质拥有的 能量就一定。
任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内 能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能 等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。
Hale Waihona Puke Baidu
能量转换中的两个重要方面：量质的 的多高少 低
❖ 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。
温差传热
自发过程
摩擦生热 自由膨胀
扩散混合
水总是从高处向低处流动 气体总是从高压向低压膨胀
热量总是从高温物体向低 温物体传递
热量传递有方向性
第二类永动机
❖ 在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能 被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置， 从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能 作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二 类永动机。
❖ 热力学第一定律揭示在能量转换和传递过程 中能量在数量上必定守恒。
❖ 热力学第二定律指出在能量转换和传递过程 中，能量在品质上必定贬值。
❖ 是两条互相独立的基本定律，一切实际过程 必须同时遵循这两条基本定律。
❖ 提高能量的有效利用，其实质就是在于防止 和减少能量贬值发生。
3 能量转换的效率
❖ 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续 地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。
第二部分 能量转换与储存
❖ 第一节 能量转换的基本原理 ❖ 第二节 化学能转换为热能 ❖ 第三节 热能转换为机械能和电能 ❖ 第四节 能量的传输 ❖ 第五节 能量的储存
第一节 能量转换的基本原理
❖ 概述
❖ 从热力学的角度看，能量是物质运动的度量， 运动是物质的存在的方式，因此一切物质都 有能量。
❖ 历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国 人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装 置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但 是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没 有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能 完成循环。
❖ 1820年代法国工程师卡诺设计了一种工作于 两个热源之间的理想热机——卡诺热机，卡 诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两 个热源的温差相关。德国人克劳修斯和英国 人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定 律后，提出了热力学第二定律。这一定律指 出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全 变为有用功而不产生其他影响。热力学第二 定律的提出宣判了第二类永动机的死刑，而 这一定律的表述方式之一就是：第二类永动 机不可能实现。
有序能：量度有序运动的能量，如电能 无序能：量度无序运动的能量，如热能
有序能 完 全 ， 无条件 无序能 无序能 不 完 全， 有条件 有序能
1 能量守恒与转换定律
❖ 自然界的一切物质都具有能量；能量既不能 创造，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；在能量转换与传递过程中，能量的总量 恒定不变。
❖ 历史上最著名的第一类永动机 是法国人亨内考在十三世纪提 出的“魔轮”，魔轮通过安放 在转轮上一系列可动的悬臂实 现永动，向下行方向的悬臂在 重力作用下会向下落下，远离 转轮中心，使得下行方向力矩 加大，而上行方向的悬臂在重 力作用下靠近转轮中心，力矩 减小，力矩的不平衡驱动魔轮 的转动。十五世纪，著名学者 达芬奇也曾经设计了一个相同 原理的类似装置，1667年曾有 人将达芬奇的设计付诸实践， 制造了一部直径5米的庞大机 械，但是这些装置经过试验均 以失败告终。
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
Cold
到高温物体而
不引起其他变
化。
Hot
❖ 为了将热量 从冷态输送 到热态，您 需要一个装 置，例如热 泵或冰箱， 持续做功。
制冷装置
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。
❖
❖ 除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等 原理的永动机问世，但是经过试验，这些永动机方 案要么被证明是失败的，要么被证明是骗局，无一 成功。
❖ 1775年法国巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永 动机。
❖
1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律； 1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们 从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机 是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就 是：第一类永动机不可能实现。
热力学的两个基本定律告诉我们：欲节约能源， 必须综合考虑能的量和质两个方面。
❖ 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%。
能量=火用+火无
❖ 火用：有用能或有效能，指在给定环境条件下， 可以连续地完全转化为任何一种其他形式的能量。
❖ 火无：无用能或无效能，指不可转换的 能量。
各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三 大类：
（1）无限转换能（全部转换能），如电能、 机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等；
（2）有限转换能（部分转换能），如热能、 流动体系的总能 ；
说明了能量“量”的多少，和能量之间的关 系
❖ 热力学第一定律：能量守恒 ❖ 系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功
第一类永动机
❖ 永动机是一类想象中的不需外界输入能源、 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。
❖ 某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而 向外放热或作功，这叫“第一类永动机”。 这种机器不消耗任何能量,却可以源源不断的 对外做功。
2 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。
❖ 贬值是指品质的贬值 ❖ 能量贬值原理即热力学第二定律。 ❖ 热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程
的方向、条件及限度。
❖ 自然界进行的能量转换过程是有方向性 的。
❖ 热力学是研究能量属性及其转换规律的科学
❖ 物质的能量主要取决于物质的状态，是状态 参数，只要物质运动状态一定，物质拥有的 能量就一定。
任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内 能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能 等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。
Hale Waihona Puke Baidu
能量转换中的两个重要方面：量质的 的多高少 低
❖ 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。
温差传热
自发过程
摩擦生热 自由膨胀
扩散混合
水总是从高处向低处流动 气体总是从高压向低压膨胀
热量总是从高温物体向低 温物体传递
热量传递有方向性
第二类永动机
❖ 在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能 被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置， 从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能 作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二 类永动机。
❖ 热力学第一定律揭示在能量转换和传递过程 中能量在数量上必定守恒。
❖ 热力学第二定律指出在能量转换和传递过程 中，能量在品质上必定贬值。
❖ 是两条互相独立的基本定律，一切实际过程 必须同时遵循这两条基本定律。
❖ 提高能量的有效利用，其实质就是在于防止 和减少能量贬值发生。
3 能量转换的效率
❖ 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续 地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。
第二部分 能量转换与储存
❖ 第一节 能量转换的基本原理 ❖ 第二节 化学能转换为热能 ❖ 第三节 热能转换为机械能和电能 ❖ 第四节 能量的传输 ❖ 第五节 能量的储存
第一节 能量转换的基本原理
❖ 概述
❖ 从热力学的角度看，能量是物质运动的度量， 运动是物质的存在的方式，因此一切物质都 有能量。
❖ 历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国 人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装 置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但 是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没 有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能 完成循环。
❖ 1820年代法国工程师卡诺设计了一种工作于 两个热源之间的理想热机——卡诺热机，卡 诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两 个热源的温差相关。德国人克劳修斯和英国 人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定 律后，提出了热力学第二定律。这一定律指 出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全 变为有用功而不产生其他影响。热力学第二 定律的提出宣判了第二类永动机的死刑，而 这一定律的表述方式之一就是：第二类永动 机不可能实现。
有序能：量度有序运动的能量，如电能 无序能：量度无序运动的能量，如热能
有序能 完 全 ， 无条件 无序能 无序能 不 完 全， 有条件 有序能
1 能量守恒与转换定律
❖ 自然界的一切物质都具有能量；能量既不能 创造，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；在能量转换与传递过程中，能量的总量 恒定不变。
❖ 历史上最著名的第一类永动机 是法国人亨内考在十三世纪提 出的“魔轮”，魔轮通过安放 在转轮上一系列可动的悬臂实 现永动，向下行方向的悬臂在 重力作用下会向下落下，远离 转轮中心，使得下行方向力矩 加大，而上行方向的悬臂在重 力作用下靠近转轮中心，力矩 减小，力矩的不平衡驱动魔轮 的转动。十五世纪，著名学者 达芬奇也曾经设计了一个相同 原理的类似装置，1667年曾有 人将达芬奇的设计付诸实践， 制造了一部直径5米的庞大机 械，但是这些装置经过试验均 以失败告终。
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
Cold
到高温物体而
不引起其他变
化。
Hot
❖ 为了将热量 从冷态输送 到热态，您 需要一个装 置，例如热 泵或冰箱， 持续做功。
制冷装置
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。
❖
❖ 除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等 原理的永动机问世，但是经过试验，这些永动机方 案要么被证明是失败的，要么被证明是骗局，无一 成功。
❖ 1775年法国巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永 动机。
❖
1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律； 1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们 从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机 是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就 是：第一类永动机不可能实现。