从热力学定律角度探讨太阳利用问题

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1、从热力学定律角度探讨太阳利用问题　　随着太阳能的应用范围越来越广阔，发展前景越来越远大，它的重要性也日益受到普遍重视，下面是小编搜集整理的一篇从热学定律角度探究太阳能利用的论文范文，欢迎查看。　　众所周知，太阳能是数量巨大、时间长久、无所不在且毫无污染的能源。随着它的应用范围越来越广阔，发展前景越来越远大，它的重要性也日益受到普遍重视，不少人指出，太阳能是未来的能源或二十一世纪的能源.太阳能利用已逐步纳入各国政府开发新能源的长远规划。但是，必须清醒地看到，当前的太阳能利用还处在自发和半自觉的阶段，如何真正从根本上理解

2、它的本质和特性，并以物理学的基本定律作为指导，更加自觉地加以利用，还有许多工作要做。事实上，人们往往误以为太阳能取之不尽，用之不竭,因而根本不考虑效率和经济效益，或者只片面看到目前的经济效益不高，而未看到太阳能的利用效率远高于其它常规能源，以致形成了太阳能利用在经济上不合算的错觉。正是后面这一点，在相当大的程度上妨碍了大力投资太阳能的开发和利用。　　本文力图从物理学定律特别是热力学定律的角度说明太阳能利用各方面的问题包括适用范围和热力用效率等等。　　1.太阳能利用与物理学定律　　1.1太阳能的起源　　太阳是一个表面温

3、度约为5.7103K的炽热球体，其中心处的温度超过2107K,压强高达31011大气压。在这样的高温和高压下，进行着剧烈的热核反应，其总的效果就是由4个氢核变成为1个氦核。实验测定，每1克氢聚变成氦时，所发生的质量亏损为0.0072克;所释放出的能量约为6.51011焦耳。　　太阳直径约为1.4106千米，质量约为2.01030千克;其组成成分中，氢约占80%,氦约占19%,由此即可推算，假定太阳一直以目前的功率发射能量，还可继续维持1011年左右。　　1.2太阳能的传播及与物质的相互作用　　太阳释放出如此巨大的能源

4、，是以电磁辐射的形式向空间散失的。假定太阳为一近似黑体，则可根据普朗克的黑体辐射定律和维恩位移定律，计算太阳的表面温度;再由斯忒藩-玻耳兹曼定律，得出太阳辐射的总功率约为3.81020兆瓦。最后，根据日-地平均距离1.5108千米与地球的平均直径6.4103千米，可以计算得出到达地球大气上界的太阳辐射功率约为1.71011兆瓦。该值约为目前地球上人类所用各种能源功率的5-6万倍。　　由于大气密度受地球重力场作用从上至下逐渐增大，太阳辐射进入地球的大气层后，就受到大气层的多次反射(大气的折射率与其密度之间大体上呈线性关

5、系);另一方面，太阳辐射还受到大气分子和尘埃的散射(主要遵循瑞利散射定律)和吸收(遵循朗伯特指数衰减定律)，二者总共损失掉57%.所以，最后只有大约43%的太阳能(其中27%为知射辐射，16%为散射辐射)能够到达地球表面，并成为风、气流、水波(包括海浪)的原动力，形成气候并造成地球上水的循环过程。其中部分能量以热能的形式储存在海水中，成为海洋热能;另有一小部分能量以化学能的形式储存在动物和植物的机体内，在有利的地理和地质条件下，经过数百万年后自然演变成各种矿物燃料(煤、石油、天然气等)。但就当前世界燃料的形成速率与消

6、耗速率相比是微不足道的。因此，人们面临的紧迫任务，就是广泛地直接开发新能源，而太阳能和核能就并列为新能源的主要组成部分。　　1.3太阳能的利用　　通常所谓太阳能的利用，是指上述到达地球表面这一部分太阳辐射功率的利用。但是，由于其中约有70-80%散布在海洋和水面上，另有相当一部分分布在高山峻岭或荒无人烟的沙漠和森林中，就目前而论，人类真正可以加以利用的，估计仅为到达地球表面的太阳辐射功率的5-10%.　　因此，如何充分而有效地利用这部分太阳能，就成为当前研究的主要课题。太阳能的利用，大致可以根据能源转换的方式，分为光

7、-热利用、光-电利用、光-化学利用和光-生物利用等，其中以光-热利用(即通常所谓的太阳能热利用)最为成熟，不仅应用范围广泛，经济效益也较明显，有些方面已经可以与常规能源相竞争。　　太阳能的热利用，在某种意义上就是把太阳能看作巨大的热源，通过传播、对流、辐射等各种传热过程取得热量，然后加以利用。上述各种传热过程分别遵循傅里叶定律、牛顿冷却定律及斯忒藩-玻耳兹曼定律。　　1.4太阳能的贮存　　太阳能尽管具有数量巨大、时间长久、无所不在和毫无污染等独特的优点，但也存在着其自身固有的缺点：　　①强度较弱，地面处的能流密度仅约

8、为0.5千瓦/米;如需获得较高的能流密度，则必须采用高聚焦比的集热器，且需自动跟踪太阳，不但造价高，工艺要求也高。　　②强度不稳定，随时间而变化;不仅有随昼夜、季节、纬度和海拔等因素的规律性变化，还有受天气晴、阴、云、雨等因素制约的随机性变化。因此，为了使太阳能能够成为一个连续而稳定的能源，并最终成为一个独立的能源，以便于目前的常规能源进行竞争