《新能源材料与器件》课件-任务2 新能源材料的基本原理

模块一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知识目标:1.了解能量守恒定律、能量转换定律和能量贬值原理；2.了解机械能、热能、电能、化学能的储存。能力目标:1.分析能力：能够独立分析和评估不同能量储存技术的优缺点。2.问题解决能力：在各种场景下灵活运用能量定律解决实际问题。

素养目标：1.创新意识：激发对新技术、新方法的探索与实践的兴趣。2.终身学习能力：保持对新知识、新技术的渴望，促进自我持续发展的意识。任务2：新能源材料的基本原理1一能源物理化学3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。能源定律419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永远运动下去的机器（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。1.1.1能量守恒定律1.117-18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，这个梦想便不攻自破。热力学第一定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步，第一次在空前广阔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。能源定律51.1.1能量守恒定律1.1能量守恒定律：自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消失，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。能源定律61.1.1能量守恒定律1.1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。能源定律71.1.1能量守恒定律1.1对能量守恒定律的补充：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。能源定律81.1.2能量转换定律1.1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→电能能源定律91.1.1能量守恒定律1.1电能→机械能电能→内能电能→化学能化学能→电能能源定律101.1.3能量贬值原理1.1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。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能源定律热量传递有方向性111.1.3能量贬值原理1.1能源定律热力学第二定律的克劳修斯说法121.1.3能量贬值原理1.1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。ColdHot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。能源定律131.1.3能量贬值原理1.1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%。能源定律141.1.3能量贬值原理1.1

一些常用能量转换装置的能量转换效率燃料电池人体蒸汽涡轮机白炽灯内燃机荧光灯能源定律15练习1.1答案：C,D习题1：下列对能量转化与守恒分析错误的是（

）A.水电站主要将机械能转化为电能B.由能量守恒定律可知，永动机是不可能制造成功的C.降落伞均速下落过程中机械能总量保持不变D.由能量守恒定律可知，滑轮组的机械效率可以达到100%能源定律16练习1.1答案：A,B习题2：如图所示为兵乒球在水平地面上弹跳时产生轨迹的一部分，该图表明（

）A.在图中兵乒球的弹跳方向为自左向右B.兵乒球某次弹起过程中，弹起瞬间的动能大于此过程最高点时的重力势能C.兵乒球弹跳时因遵循能量守恒定律，所以机械能总量不变D.兵乒球运动过程中重力势能一直减少能源储存技术171.2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。能源储存技术181.2.1机械能的储存1.2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）抽水蓄能电站能源储存技术191.2.1机械能的储存1.2中国抽水蓄能电站分布能源储存技术201.2.2电能的储存1.2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能源储存技术211.2.2电能的储存1.2静电场和感应电场（1）电容器在直流电路中广泛用作储能装置，在交流电路中则用于提高电力系统或负荷的功率因数，调整电压；（2）高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器；（3）超导磁铁蓄能。带有超导磁铁的飞轮电力储存系统能源储存技术22显热储存蓄热装置设计、运行和管理简单方便；装置体积庞大；热损失大。能的储存1.21.2.3热能的储存潜热储存利用蓄热材料发生相变而储热；储能密度高，装置体积小，热损失小；过程等温或近似等温，易与运行系统匹配。能源储存技术23化学储存一种高能量密度的储存方法；利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取；技术上困难，目前尚难实际应用。1.21.2.3热能的储存地下含水层储存地下含水层储冷：冬季将净化过的冷水用管井灌入含水层里储存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。地下含水层储热：夏季将高温水或工厂余热水经净化后用管井灌入含水层里储存，到冬季时抽取使用，叫“夏灌冬用”。能源储存技术241.21.2.4化学能的储存化学能是各种能源中最易储存和运输的能源形态。利用某些物质在可逆反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取。这是一种高能量密度的储存方法。从广义上讲，储存原油和各种石油产品、液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、煤等化石燃料本身就是对化学能的储存。谢谢知识目标:1.理解不同类型的能量转换（如热能转化为机械能）及其应用；2.掌握原电池的基本构造、工作原理及其能量转换方式。3.理解电极反应中的氧化还原过程及其对能量转换效率的影响能力目标:1.分析能力：具备分析能量转换过程中的能量损耗和效率的能力。2.问题解决能力：在面对实际能源转换问题时，能够提出合理的解决方案和建议。

素养目标：1.批判性思维：具备对不同能量转换技术进行评价和比较的能力。2.终身学习能力：保持对新知识、新技术的渴望，促进自我持续发展的意识。任务3：新能源材料的基本原理2能源转换过程271.31.3.1概述狭义上的能量转换，即能量形态上的转换化学能转换为热能热能转换为机械能机械能转换为电能在能量利用中最重要的能量转换过程是将燃料的化学能通过燃烧转换为热能，热能再通过热机转换成机械能，机械能既可以直接利用，也可以通过发电机再将机械能转换为更便于应用的电能。广义上的能量转换能量在空间上的转移，即能量的传输。能量在时间上的转移，即能量的储存。能源转换过程281.31.3.2化学能转换为热能燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的食品）。燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料固体燃料煤炭（焦炭、型煤、木炭等）木材液体燃料石油（汽油、煤油、柴油、重油等）气体燃料天然气（焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气）能源转换过程291.31.3.2化学能转换为热能燃烧设备锅炉工业炉窑化学能

热能能源转换过程301.31.3.3热能转换为机械能将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。转换过程通常是在热机中完成。应用最广的热机是内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。蒸汽轮机蒸汽轮机主要用于发电厂中，也可作为大型船舶的动力，或拖动大型水泵、压缩机、风机。燃气轮机

燃气轮机除了用于发电外，还是飞机的主要动力源，也可用作船舶的动力。内燃机内燃机主要为各种车辆、工程机械提供动力。能源转换过程311.31.3.3热能转换为机械能蒸汽轮机蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。能源转换过程321.31.3.3热能转换为机械能燃汽轮机燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。燃烧室发电机燃料空气废气能源转换过程331.31.3.3热能转换为机械能内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式，有汽缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。能源转换过程341.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能电能是与电荷的流动和积聚有关的一种能量。由于电能能够容易地以高转换效率转换成其它形式的能量，因此电能是非常有用的一种能量形式。机械能直接转换成电能：发电机水轮发电机汽轮发电机能源转换过程351.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能化学能转换成电能：化学电源，即电池，化学电源能量转化率高，方便并安全可靠，在不同领域应用广泛。电池一次电池二次电池燃料电池储备电池定义电池反应本身不可逆，电池放电后不能充电再使用的电池可重复充放电循环使用的电池，充放电次数可达数十次到上千次活性物质可从电池外部连续不断地输入电池，连续放电电机的正负极和电解质在储存期不直接接触，使用前采取激活手段，电池便进人放电状态例子锌-锰电池、锌-汞电池、锌-银电池、锌-空气电池铅酸蓄电池、镉-镍蓄电池和锂离子电池氢氧燃料电池镁银电池、铅-二氧化铅电池应用大功率放电的人造卫星、电动汽车和应急电器燃料电池适合于长时间连续工作的环境，已成功用于飞船和汽车导弹电源、心脏起搏器电源能源转换过程361.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能辐射能转换成电能能源转换过程371.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能核能转换成电能：核电站。能源转换过程381.31.3.4电能转换为化学能将电能转换为化学能主要发生在二次电池的充电中。这个过程正好与电池使用相反，通过将电能源源不断地导入电池转化为化学能，从而储存起来。以锂离子电池为例：目前已产业化的锂离子电池的负极材料为碳材料，正极为LiCoO2材料，电解质是LiPF6（LiClO4）和有机试剂。锂离子电池的电化学表达式及原理：能源转换过程391.3答案：A习题1下列现象中，机械能转化为其它形式能的是A.钻木取火B.炸弹爆炸C.煤气燃烧D.电车行驶能源转换过程401.3答案：A习题2下列装置正常工作时，不是将其他形式的能转化为内能的是（

）A.光电池B.太阳灶C.热水器D.电烤炉原电池与电解池411.41.4.1原电池原电池(Galvaniccell)：(1)定义：凡是能将化学能直接转变为电能的电化学装置叫做原电池或自发电池。

(2)性质：原电池区别于普通氧化还原反应的基本特征就是能通过电池反应将化学反应转变为电能，所以它是一种能量转换的电化学装置。如：

原电池与电解池421.41.4.1原电池(3)电池的可逆性：电池进行可逆变化必须具备两个条件：

•电池中的化学变化是可逆的，即物质的变化是可逆的；

•电池中能量的转化是可逆的，即电能或化学能不转变为热能而散失。

(4)原电池电动势：定义：没有电流通过时，原电池两个终端相之间的电位差（即两电极相对电位差）。

注意：只有可逆电池有E，电池不可逆时只能测到V。原电池与电解池431.41.4.2电解池电解（1）定义：使电流通过电解质溶液而在阴阳两极上发生氧化还原反应的过程。（2）电解池定义：由外电源提供电能，使电流通过电极，在电极上发生电极反应的装置。工作原理：电能转化为化学能构成电解池的条件：与电源相连的两个电极；电解质溶液(或熔化的电解质);形成闭合回路电极：阳极---与电源的正极相连，发生氧化反应阴极---与电源的负极相连，发生还原反应惰性电极---只导电,不参与氧化还原反应(C/Pt)活性电极---既导电又参与氧化还原反应(Cu/Ag)原电池与电解池441.41.4.2电解池（3）电解原理：①电子流向：与电流流向相反②离子流向：阳离子流向阴极，阴离子流向阳极③电极反应：阳极:发生氧化反应电极材料或电解质溶液中的阴离子失去电子阴极:发生还原反应电解质溶液或电极材料中的阳离子得到电子（4）放电顺序阳极：①若为活性电极(Ag以前)，则是电极本身失电子变成离子进入溶液②若为惰性电极，则是溶液中的阴离子“争”先放电

S2->I->Br->Cl->OH->等含氧酸根离子(NO3-、SO42-)>F-

阴极：无论是活性或惰性电极都是溶液的阳离子“争”先放电

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+

原电池与电解池451.41.4.3原电池与电解池的区别原电池与电解池461.41.4.4电极/溶液界面模型电极/溶液界面的特点：静电作用：使符号相反的剩余电荷形成紧密双电层结构；热运动：使荷电粒子趋向均匀分布，形成分散层结构。

Helmholtz模型（紧密层模型）

该模型只考虑电极与溶液间的静电作用，认为电极表面和溶液中的剩余电荷都紧密地排列在界面两侧，形成类似荷电平板电容器的界面双电层结构

原电池与电解池471.41.4.4电极/溶液界面模型Gouy—Chapman分散层模型该模型粒子热运动的影响，认为溶液中的剩余电荷不可能紧密地排列在界面上，而应按照势能场中粒子地分配规律分布在临近界面的液层中，即形成电荷“分散层”。原电池与电解池481.41.4.4电极/溶液界面模型Stern模型该模型认为由于静电作用和粒子热运动这两种矛盾作用对立统一的结果，使电极/溶液界面的双电层将由紧密层和分散层两部分组成。电极过程动力学导论491.4电极体系可逆电极(reversibleelectrode)：氧化还原反应速度相等，物质交换和电荷交换平衡。（平衡电位）

不可逆电极(irreversibleelectrode)：

•电荷交换平衡，物质交换不平衡（稳定电位）

•电荷交换不平衡，物质交换不平衡（不稳定电位）

电极过程动力学导论501.4极化•极化