热机的研究论文

热机的研究论文

热机
热引擎或称热机是能够将热源提供的一部分热量转化成为对外输出的机械能的机器。热机对外输出的机械能称为输出功。热机的工作模式一般可以简化为热力学循环的模型，热机的种类也按背后不同的热学模型命名，比如卡诺热机、迪塞尔热机等等。此外，按照热源或工作特性，也各自有约定成俗的名称，如柴油机、汽油机、蒸汽机等等。热机可以是开放系统，也可以是封闭系统。热源可以是使用煤的蒸汽炉，汽车发动机的燃烧室，也可以是太阳能的蒸汽炉，地热和核反应堆。热机分为内燃机和外燃机两种。
人们一方面利用已经有的热能，或者燃烧燃料来创造热能给热力发动机，而另一方面却在浪费很多的热能，比如很多电厂不得不利用大量的水来冷却。法国工程师尼古拉·卡诺在1824年的研究推出了卡诺定理。这个定理表示即使是一个理想热机，它利用热能转化成机械能的效率也低于100%。这个公式是：
效率 = 有用功/注入系统中的能量

对所有热机
对一个卡诺热机来说，这个公式变为：

在这里，是高温热源给工作系统的热量，是低温热源给工作系统的热量（是负值）。
熵变化量

表示变化量
卡诺热机中之图上之点，最后会回到原来的点，所以

代入熵变化量式子

将上式代入上上式

只适用于卡诺热机
根据卡诺提出的定理：

在这里，和是温度以卡尔文为单位，等号仅当热机循环是可逆的时候成立。
从而我们可以得出：
[1]
从这个公式我们可以看出，要得到100%的效率，低温热源需要在绝对零度下，或者高温热源温度无限大。

太阳能热发电技术论文

太阳能热发电是指将太阳光聚集并将其转化为工作流体的高，温热能，然后通过常规的热机或其它发电技术将其转换成电能的技术。下面是我整理的太阳能热发电技术论文，希望你能从中得到感悟!

浅谈太阳能热发电技术的应用

摘要：太阳能光伏发电已成为人们摆脱对化石燃料依赖的巨大功臣之一，尤其是化石燃料在提供能量的同时对居住环境带来的温室效应等各种负面影响及化石燃料的逐渐枯竭，世界各国都在研究和探索清洁、环保的可再生能源，如太阳能、风能、水能等。太阳能作为新型清洁能源之一，拥有巨大潜力。尽管太阳能具有很多优点，但太阳能的分散性、不易储存、受环境影响等多方面的不利因素影响着太阳能的开发及利用。经过国内外专家的潜心研究，太阳能技术的开发不断深入，太阳能热发电技术已进入了商业运用阶段。

关键词：太阳能电池;热发电;太阳能发电技术

能源已成为影响经济社会发展的一大主要因素，尤其是煤炭、石油等化石燃料的逐渐枯竭，当今世界已出现了能源争夺之战。局部地区的动乱很多都是由不可再生能源的争夺引发的。面对人们能源需求量的增加而不可再生能源的减少，人们开始转而寻求对可再生能源的开发，如风能、水能、太阳能等。尽管目前太阳能占能源总量的比重不大，但未来的发展潜力不可限量，有专家推测，到2100年来自太阳的能源超过世界能源需求总量的一半以上。

一、太阳能热发电技术概述

太阳能作为一种清洁能源之所以被人们开发利用的时间不长是因为太阳热能的低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，使太阳能的收集和利用比较困难。因此，要想研发太阳能光伏发电技术，必须要找到有效地收集和利用太阳能的方法，也是太阳能热发电技术的关键。因此太阳能光伏发电技术有四个关键技术，即聚光器技术、吸收器技术、跟踪技术和热能存储技术。聚光器技术、吸收器技术主要是研究如何更高效地获取太阳光源，难点在于解决太阳光热能的低密度、分布不断变化等特点;热能存储技术攻克的难点在于如何将收集到的太阳光源存储起来，并减少热量的损失，以备在阴天、下雨、夜间等无太阳光源时提供能量。

尽管太阳能是一种天然的、清洁的、可再生的能源，但由于太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，造成其开发利用投入的成本较高，阻碍了人们对太阳热能的开发。但是太阳热能技术一旦前期投入完成(固定投入)，后期将带来可观的经济效益，再加上化石燃料对地区环境带来的负面影响及其本身的不可再生性，促使各国政府转向大力支持太阳热能的开发。太阳能热发电这基础的四方面技术解决的核心在于新型材料的研发。当前太阳能发电技术主要是太阳能光伏(PV)电池技术和聚光太阳能(CSP)技术。我国幅员辽阔，横跨多个纬度，再加上地形地貌的多样，太阳能开发前景广阔，根据2009年的世界太阳能发电关联产品的统计数据显示，我国大陆在结晶硅太阳能电池及结晶硅太阳能电池组件上的产业规模已位居世界第一，占世界总量的一半左右，是重要的太阳能光伏电池生产国。

二、太阳能热发电常见的模式及比较分析

在能源危机的驱动下，各国专家的持续研究下，人们对太阳能的开发已进入了一个新的时期，目前已开发出多种形式的太阳能热发电模式，其中有部分技术较为成熟，已投入商业运行中。太阳能热发电的关键技术之一就是集热器，太阳能热发电模式也可按集热器类型的不同，分为平板型光伏发电系统和聚光型光伏发电系统。

(一)平板型光伏发电系统

平板型光伏发电系统包括太阳能电池板、直流保护与汇集系统、交流保护与开关系统、逆变器、发电量计量、基础结构等几部分。此系统的工作原理是电池板阵列经汇线箱(盒)汇集后直接向直流负荷供电，再经逆变器将汇集后的直流电源转变成符合交流电压、频率的单相或三相交流电，最后汇入用户的电源系统。平板型光伏发电系统主要在大规模并网型电厂使用，在应用中需要考虑直流线路、交流线路、升压站等部分，在发电过程中，为了提高太阳光的利用率，通常采用单轴或双轴追踪系统，加长阳光直射的时间，提高发电量。因追踪系统的原理是根据太阳方位角的旋转产生阴影效应来驱动电池板，所以该系统占地面积较大。总体来看平板式光伏发电系统结构简单、技术含量低、安装施工方便，所需的硅晶体材料的降价，成本呈下降趋势。据估算平板式光伏发电系统每千瓦发电量的综合投资成本约为3.5～4万元。但该系统存在发电效率低、不便运输、不便于维护等缺点。

(二)聚光型光伏发电系统

聚光型光伏发电技术，是最近几年发展起来的大规模光伏发电技术，多用于兆瓦以上规模的并网型太阳能光伏发电厂。聚光型光伏发电技术与平板型光伏发电技术相比，具有更经济、建设周期短、维护方便、占地面积小、对场地平整程度要求不高等优点。聚光型光伏发电系统又可分为槽式聚光热发电系统、塔式聚光热发电系统和碟式斯特林太阳能热发电系统三大类。

1.槽式聚光热发电系统。太阳能发电最早被使用的技术就是槽式聚光技术，其也成为聚光式太阳能技术中最为成熟的技术。槽式太阳能热发电是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。因此，槽式热发电的关键技术是太阳热能聚光器、吸收器、跟踪技术及高温热能储存技术。槽式太阳能热发电厂主要包括集热和发电两大部分。其中集热部分不同于传统发电，主要包括：抛物面槽形反光镜、热接受器、单轴追踪控制系统、集热器基础结构几部分。槽式聚光热发电系统是目前使用最早，最成熟也最为经济的发电系统。

2.塔式聚光热发电系统。塔式聚光技术是通过接受器聚焦分布安装在聚光塔周围呈环形排布的定日镜阵反射的太阳光。在接受器内实现热能的转化，进而驱动涡轮机带动发电机发电。西班牙的PS20是目前建设的最大的塔式热发电厂，装机容量为20MW，占地约1 415亩。若场地条件允许，此系统可以搭配传统热电厂，形成循环蒸汽涡轮机发电系统，减少对化石燃料的依赖。

3.碟式斯特林聚光热发电系统。碟式斯特林聚光热发电系统主要由旋转抛物面反射镜、吸热器、跟踪装置和热功转换装置等组成，安装在一个双轴跟踪支撑装置上，实现定项跟踪，连续发电。碟式斯特林聚光热发电系统既保留了塔式系统聚焦比高、规模大的优点，又较好地解决了塔顶吸热器热损大的缺点，安装维护成本较低。但碟式斯特林聚光热发电系统也存在一些明显的缺点，如发电效率低、占地面积大、使用材料多等。

针对三种聚光式热发电系统在规模、运行温度、年容量因子、峰值效率、年净效率、商业化情况及技术开发风险等因素做出的综合比较，从各项指标可以看出，槽式系统目前在商业运行中比较成熟。

三、太阳能热发电技术的应用前景

能源危机加上太阳能资源的多种优势，大量的传统的靠化石燃料获取能源的公司转而进入太阳能发电的开发，尤其是一些资源贫乏的发达国家，如日本等。太阳能的存储是一项关键技术，目前涉猎太阳能电池的企业已形成规模。太阳能电池按材料组成可分为结晶系、薄膜系、多接合系、有机系等，市面常见的是结晶硅型，而薄膜系太阳能电池未来也将有较大的市场。我国作为能源需求大国，在结晶硅太阳能电池和结晶硅太阳能电池组件的生产上成绩显著，总量均占到世界总量的一半左右。在世界各国的努力下，新型复合材料的制成，获取太阳能技术将不断成熟，成本也会降低，大规模的太阳能热电厂会越来越多，当太阳能发电成本降低到一定程度时，将会成为未来电网的主力。

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工程热力学

热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。
工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。
工程热力学的基本任务是：通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率。
为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。
工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。
这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质，当作宏观真实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。这是它的独特优点。
古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。
1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。
英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。
热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。
1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。
与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。
二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。

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卡诺定理错误及热力学第二定律逻辑推理不成立的证明
学物理者必知的逻辑证明卡诺定理错误 及热力学第二定律不成立
源自科技创新导报2010年25期10页 邮箱:
源自科技创新导报2010年25期10页
本文旨在探索没有任何假说条件下，认识物质的物理规律时如何遵守逻辑规则推理形成正确结论，今后不被证明存在错误。亚里士多德物理学关于重物下落更快的理论存在一千多年后，某一天被伽里略是用一根绳子链接轻重物体时，推证亚里士多德的物理学错误。我做了一个试验：用两个乒乓球，一个注满水，一个是空的，然后同时从高处落下，现象确实是重的下落更快。说明伽里略的发现并没有改变现象，伽里略和亚里士多德都看见了重物下落更快。但是现象还不是科学，亚里士多德的物理学错误。
卡诺定理存在同样的严重缺陷——我们在卡诺热机的内部加入固体物质后产生了随意改变它的热容的新情形，发现卡诺热机的内部热容可以任意改变。实质上就使得理想过程从始态到终态的P—V线可以被任意改变，据此可知在不留下痕迹时热机效率可以大于η。这样逻辑推理就能证明卡诺定理错误。不要因为看见了热从高温向低温流动的现象就认为热力学第二定律成立。如果一个理论在逻辑形式上表达出现错误，那就难以成立。
摘 要：新型理想热机就是在卡诺热机的内部增加了固体物质，因此可以随意改变卡诺热机的内部热容，以前科研工作者还没有发现卡诺热机存在可以随意改变热容这个严重问题。对它的循环工作进行分析发现最高理想工作效率大于η，这样从逻辑形式上证明卡诺定理不成立。
关键词：卡诺热机，卡诺定理，热力学第二定律
自然界的热量通过温差的形式能转化为有用功后输出动力。1824年，法国工程师卡诺经过对蒸汽机的研究，总结了蒸汽机循环工作的四个过程，即高温恒温膨胀过程、绝热膨胀过程、低温恒温压缩过程、绝热压缩过程。提出了被称为卡诺热机的理想热机 [1]，证明了利用温差的形式产生动力的热机使热量完全转化为有用功的最高工作效率η为[2]：η=(T1-T2)/T1 （式中η卡诺热机效率，T1表示高温，T2表示低温。）
卡诺还在证明卡诺热机的循环工作效率的基础上建立了卡诺定理[2]：在理想条件下，任何热机使热量转化为有用功的效率不可能大于η[3]，任何热机无法从单一热源获得有用功。后来，克劳修斯在卡诺定理的基础上建立了热力学第二定律。根据热力学第二定律，热机从单一热源取热作功，就要产生熵 (痕迹) [4]。
1新型理想热机

图1 新型理想热机
图1是新型理想热机或系统。系统内部分为两部分：上部装有活塞，活塞下面装有理想气体，中部是一块导热良好的隔板把系统隔开为上下两部分，下部装有固体物质。可见，新型理想热机就是在卡诺热机的下部增加了固体物质。
卡诺热机的内部增加了固体物质后，我们可以利用固体物质随意改变它的内部热容。当卡诺热机没有增加固体物质时，其内部热容为理想气体的热容Cr气。然而，在增加了固体物质后，其内部热容变为理想气体的热容Cr气和固体物质的热容Cr固之和即: Cr气 + Cr固 。
卡诺热机内部增加了固体物质后再进行绝热膨胀或压缩过程时，其内部的温度变化△T与活塞运动距离S的关系为： △T= k×S× P÷Cr
（式中△T温度变化，K：k关系常数：S活塞运动距离,m：P压强，kgf / m2：Cr内部热容。）令温度变化△T时，其内部热容Cr越大，要求活塞运动距离S越大。理想气体压强P越大，则要求活塞运动距离S越小。
如果再在理想条件下分析利用固体物质随意改变卡诺热机的内部热容，那么逻辑推理就能够证明卡诺定理逻辑上不成立：
首先，取卡诺热机置于低温T2之中，在它的内部增加固体物质，使其内部热容随意变大为理想气体热容Cr气的4倍，开始让其从低温T2状态{P2、V2、T2}进行绝热压缩过程达到高温T1状态{P1、V1、T1}[5]，设定活塞压缩的运动距离为1米。然后，先让其在高温热源T1之中进行高温恒温膨胀从热源T1中取热输出功，令活塞膨胀1/2米的运动距离。之后，把卡诺热机内部的固体物质取出，使其内部热容恢复到理想气体的热容Cr气。这时，再让其从高温T1{P1/2、V1/2、T1}开始进行绝热膨胀过程，因为卡诺热机的内部热容变得很小，只有绝热压缩过程的1/4倍，那么，活塞膨胀只需要余下的 1/2 米的运动距离，最后就能够回到低温T2状态{P2、V2、T2}上复原。由于它的膨胀复原过程中存在高温恒温膨胀取热输出功。整个循环工作中其膨胀过程输出功大于压缩过程耗用功，所以，它改变内部热容后获得的效率逻辑上大于η。如果把这个过程循环下去，它就能够不断从单一热源T1取热输出有用功。
由于我们在高温T1之中取出了固体物质，这不是痕迹。仍然可以利用固体物质改变卡诺热机的内部热容输出有用功：我们可以另取一个卡诺热机，置于高温T1之中，在它的内部增加固体物质改变内部热容为Cr气的4倍，开始，让其从高温T1状态{P1、V1、T1}进行绝热膨胀过程达到低温T2状态{P2、V2、T2}，并且设定活塞膨胀的运动距离为1米。然后，（利用绝热膨胀得到的输出功）对其进行低温恒温压缩在低温热源T2之中放热耗用功，令活塞压缩1/2米的运动距离。之后，把卡诺热机内部的固体物质取出，使其内部热容恢复为Cr气。这时，再让其从低温T2进行绝热压缩过程，因为它的内部热容变得很小，只有绝热膨胀过程的1/4倍，那么，活塞压缩只需要余下的 1/2 米的运动距离，最后就能够回到高温T1状态{P1、V1、T1}上复原。由于它的压缩复原过程中存在低温恒温压缩放热耗用功。结果是其膨胀过程输出功大于压缩过程耗用功。这样就让高温T1之中的固体物质又回到了低温T2，不会留下痕迹。
以上利用固体物质改变卡诺热机的内部热容的两个方式中，关键是存在高温恒温膨胀从高温热源T1中取热输出功，与低温恒温压缩在低温热源T2之中放热耗用功，从而保证了它在改变内部热容后复原时获得的效率逻辑上大于η。证明卡诺定理错误。
因此：在增加了固体物质后的卡诺热机进行的绝热膨胀和压缩工作过程中，如果我们利用固体物质的热胀冷缩、热磁、热电这样几种物理性质来对外做功，同样有改变卡诺热机的内部热容的效果，并且在改变它的内部热容的贡献中也不留下任何痕迹。所以：热力学第二定律结论不成立。
亚里士多德物理学关于重物下落更快的理论存在一千多年后，某一天被伽里略是用一根绳子链接轻重物体时，推证亚里士多德的物理学错误。我做了一个试验：用两个乒乓球，一个注满水，一个是空的，然后同时从高处落下，现象确实是重的下落更快。说明伽里略的发现并没有改变现象，伽里略和亚里士多德都看见了重物下落更快。但是现象还不是科学，亚里士多德的物理学错误。
卡诺定理存在同样的严重缺陷，我们在卡诺热机的内部加入固体物质后产生了随意改变它的热容的新情形。实质上就使得理想过程从始态到终态的P—V线可以被任意改变，据此可知在不留下痕迹时热机效率可以大于η。不要因为看见了热从高温向低温流动的现象就认为热力学第二定律成立。如果一个理论在逻辑形式上表达出现错误，那就难以成立。
现代又出现了一类新型热机和装置，例如日本研制的“热磁发电机”[7]、中国制造的“无偏二极管’’[8]。反映出自然界还存在一个热动力原理。今后：根据这个新型热机探索物理可以揭示更多的热动力规律。
[1] 印永嘉、李大珍编：《物理化学教程》，高等教育出版社，1990年修订本。
[2] 靳海芹 ,王筠.热机及其效率研究[J] .湖北第二师范学院学报,2009,26( 8)
[3]董艳红.卡诺定理的证明[J] .佳木斯大学学报(自然科学版),2009,27(4)
[4]路俊哲 ,吴建琴 ,马晓栋.关于熵的理解上的几个问题[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2007,26（1）
[5]吴建琴 ,马晓栋.循环过程的基本特征[J] .新疆师范大学学报(自然科学版),2008(2)
[6]孟振庭 .热量概念的进一步探讨[J].陕西师范大学学报(自然科学版)
[7]日本新技术情报志[R].1983（10）
[8]徐业林.单一室温环境获得能量的实验与研究[M]. 第一版.科学出版社,1988