新能源利用中的热物理问题思考题与练习题.doc

新能源利用中的热物理问题思考题与练习题2014.12能源概论1. 什么是能流密度?举例说明可再生能源的能流密度的主要特点。能流密度是在一定空间范围内，单位面积（如平方米）所能取得的或单位重量（如公斤）能源所能产生的某种能源的能量或功率。是评价能源的主要指标之一。如能流密度很小，即很难作为主要能源。按目前技术水平，太阳能和风能的能流密度很小，每平方米约100瓦左右。各种常规能源的能流密度都较大，如1公斤标准煤发热量为7000千卡（1卡4.1868焦耳），1公斤石油发热量为10000千卡。核能的能流密度最大，1公斤铀235裂变时可释放出164亿千卡的热量。2. 什么是能源品位?举例说明低品位能源(如汽车废热、太阳热能等)能否利用?在经济上是否合算?能源品位-能源所含有用成分的百分率。有用成分百分率越高则品位越高。高品位的能源是指电力、机械功、燃气和液体燃料等，是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的，所谓低品位能源包括热能、生物能等，二者之间是可以互相转化的。3. 什么是含能体能源、过程性能源、一次能源、二次能源?含能体能源是指包含能量的物质。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。这种含能体可以直接储存运送。过程性能源是指能量比较集中的物质运动过程，或称能量过程，是在流动过程中产生的能量。如流水、海流、潮汐、风、地震、直接的太阳辐射、电能等。一次能源是指自然界中以现成形式存在，不经任阿改变或转换的天然能源资源，即从自然界直接取得并不改变其形态和品位的能源。为原煤、原油、油页岩、天然气、核燃料、植物燃料、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。二次能源是指为了满足生产工艺和生活的特定需要以及合理利用能源，将一次能源直接或间接加工转换产生的其它种类和形式的人工能源。如由原煤加工产出的洗煤；由煤炭加工转换产出的焦炭，煤气；由原油加工产出的汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、炼厂干气等；由煤炭、石油、天然气转换产出的电力。4. 从能量守恒角度，世界上的总能量保持不变。但为何人类存在能源危机？5. 什么是生态平衡、温室效应、臭氧层破坏?影响它们的主要因素各有哪些?生态平衡指自然生态系统中生物与环境之间,生物与生物之间相互作用而建立起来的动态平衡联系。又称“自然平衡”。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列极其严重问题，引起了全世界各国的关注在平流层中，一部分氧气分子可以吸收小于240m波长的太阳光中的紫外线，并分解形成氧原子。这些氧原子与氧分子相结合生成臭氧，生成的臭氧可以吸收太阳光而被分解掉，也可与氧原子相结合，再度变成氧分子。人类生产和使用大量CFCs，因其化学稳定性好、在对流层下不易被分解而进入平流层。到达平流层的CFCs受到短波紫外线UVC的照射，分解为Cl自由基，参与对臭氧的消耗6. 为何电能是最佳的二次能源？你认为目前哪种能源技术转换为电能最方便高效？7. 水力能和草木秸秆燃烧也属于可再生能源，但为何不属于国际上提倡的新能源范畴？8. 举例说明可再生能源(如太阳能)与不可再生能源(如煤)各自的优缺点。9. 举例说明可再生能源转换为电能的过程与成本的关系。10.从能源品质评价的角度，你认为中国应该大力发展那一种或哪几种可再生能源？11. 化石能源仍是当今人类的主要能源,我国目前的能源利用中70%是煤和石油。假设现在世界上的化石能源已全部耗尽,新的替代能源还未问世,将会出现什么情况?请想象几个场景。12. 你认为21世纪中期世界的主要能源是什么?人类如何最终解决能源问题?热力学1. 什么是热力学平衡态?在什么情况下可以将系统假设为热力学平衡态?2. 什么是可逆过程和不可逆过程?在能量转换过程中,哪些是可逆的,哪些是不可逆的?3. 什么是热机?为什么热机的效率一定小于1?4. 在各种可再生能源转换装置中,举例说明哪些装置属于热机?哪些不属于热机?不属于热机的装置效率可以大于1吗?5. 从热力学第一定律的角度,能量不会消失而恒为常量,为什么人类却面临着能源危机?6. 汽车发动机依靠汽油来提供能量。这一能量是如何转换的?能量最终跑到了哪里?7. 从热力学第二定律出发,说明为何关于环境“先污染后治理”的观点是完全错误的。8. 举例说明如何利用热力学第一和第二定律指导能源利用过程。9举例说明第一类和第二类永动机，它们为何不可能实现？10举例说明卡诺热机效率不适用于太阳光伏电池不流体力学9. 流体力学与固体力学的主要区别是什么?流体力学建立在哪几个假设和守恒方程的基础上?10.既然流体是由大量的分子组成,那么流体中某点的流速的含义是什么?是否是该点分子的速度?11.由于流体的粘性,靠近管壁的流体速度降低,此时有一种什么物理量在从主流向管壁传递?粘性的作用是什么?12.可压缩和不可压缩流体的主要区别是什么?气体是可压缩流体吗?13.牛顿第二定律是如何运用到大量的流体质点中,变成了流体力学的动量方程?14.从能量的角度,层流与湍流的主要区别是什么?哪种流态携带的能量多?哪种容易利用?15.在太阳能热利用中,水和空气是两种常用的工质。分析比较两种工质的利弊,以及适用的场合。16.试述飞机飞行的原理以及风轮机的工作原理。传热学17. 传热学与热力学有何区别?18.传热有哪几种机制,它们的微观本质是什么?19.制冷系统借助外部做功,使内部保持在较低温度。但冰箱的背面或侧面为何摸起来很热,而不是低于环境温度?20. 夏天在同样的温度下,为何在北方地区没有南方那样热?21. 太阳能热水器中的真空管是如何工作的?22. 为强化对流传热,经常采用粗糙表面或者增大流速,为什么?23. 非导电体以及氧化的金属表面通常具有较高的红外线辐射率,而抛光的导电体则相反。哪种材料更适合用作太阳能吸热板?24. 估算一块温度保持为100的普通铝板,在置于室外环境下(10)的对流损失与辐射损失之比。半导体物理25. 半导体与金属、非金属的主要区别是什么?26. 什么是电子?什么是空穴?半导体是如何导电的?27. 在热平衡时半导体中有多少电子和空穴?28. 温度如何影响半导体的导电特性?掺杂如何改变半导体的导电特性?29. 什么是费米能级?热平衡时费米能级为何是常数?30. 用能带理论来解释半导体与金属导电性质的差异,以及P-N结的导电过程。31. 解释为何在P-N结电压反偏时电流小,在正偏时电流大。32. 解释为何在P-N结电压反偏时发生电流超过了复合电流,而在正偏时复合电流超过了发生电流。太阳热利用1. 什么叫太阳辐射?地球表面接收到的太阳辐射由几部分组成?2. 为什么地面上同一地点接收到的太阳辐射随时间发生变化?3. 计算2005年9月23日的赤纬角。4. 计算南京地区大暑日(7月23日)正午的太阳入射角,假设集热面的倾斜角为45。5. 计算一平板集热器的总热损失系数UL。已知该集热器朝南,倾斜角为45。当天环境温度为20,集热器玻璃盖板和集热板的温度分别为45和69。集热器底部采用6cm厚的玻璃纤维绝热层,其导热系数为0.04W/(mK),玻璃盖板和集热板之间的距离为7.5cm,它们的发射率分别为0.88和0.95。6. 简述玻璃真空管集热器和热管真空集热器的工作原理。7. 太阳房有几种类型?它们各自的工作原理是什么?8. 28的空气通过一个平板集热器,集热板长0.8m,宽0.5m,空气流速为4m/s。计算集热板传递给空气的热负荷为多少?已知集热板的温度为40,空气和集热板之间的表面传热系数由下式计算:Nu=0.664Re0.5Pr0.33。9. 一被动式直接受益式太阳房,室内温度维持在20,每天受到4h、800W/m2的太阳辐射。若环境温度为12,太阳房的透射率为0.9,太阳房对外的总热损失系数为6W/(m2),试计算太阳房每天的净得热量。10. 太阳能热发电有多少种方法?试说明每种方法的发电原理。11. 试分别从被动式太阳房和节约能源的不同角度,分析建筑物窗户的合理布置。12. 为什么太阳池底层的温度比表层高?太阳光伏 1.半导体的禁带宽度如何影响光伏发电效率？什么样的禁带宽度最好？2.什么是少数载流子？多数载流子？它们在光伏发电中各自的作用是什么？3.什么是直接带隙半导体和间接带隙半导体？为什么直接带隙半导体更适合做光伏电池？4.什么是扩散电流和漂移电流？画图表示？5.什么是什么是费米能级？热平衡时费米能级为何是常数？6.太阳电池要求少数载流子的寿命尽可能长，为什么？可以采取哪些措施来实现?7.聚光器可以提高太阳电池的输出功率,但阳光的集聚又使电池温度上升,从而使转换效率下降。(1)试想出一两种方法解决这一矛盾;(2)解决这一问题的根本途径是什么?8.目前的太阳电池主要有哪些类型?它们各自有哪些优势和劣势?试提出几种改进的方法。9.从光伏效应原理可知,太阳电池欲产生功率输出,有两个必要条件:一是有内建电场;二是能够产生光生载流子。你能否用其他不同于半导体P-N结的方法构造一个类似的太阳电池?试述其原理,并论证其可行性。10.光伏电池效率与半导体晶体结构的哪些因素有关？什么是理想的光伏电池的晶体结构？11.什么是单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池？它们各有何优劣？12.试述从石英砂到单晶硅太阳电池的制造工艺。其中主要的能量损耗有哪些？试提出改进方案。13.多层结太阳电池有何好处？从效率和成本两方面考虑，什么是最优的结数？有无可能用单结电池吸收不同波长的太阳光？晶体生长1. 晶体是如何从熔体中生长的？分为几个阶段？主要的影响因素有哪些？2. 晶体生长中枝晶是如何形成的？主要受外界哪些影响？3. 说明组分过冷的概念，并简述浓度梯度对界面稳定性的影响？4. 说明固液界面的两种微观结构，并解释邻位面的台阶化，台阶的扭折化的本质？5. 说明均质成核和异质成核的区别，从自由能角度解释为何异质成核容易.6. 什么是晶体生长的吉布斯自由能?从自由能的角度解释为何存在晶核的临界半径？7. 谈谈你对温度梯度、浓度梯度和界面能与界面稳定性的关系的理解。谈谈可采取哪些措施来避免组分过冷的出现。8. 在直拉法生长晶体时，晶体旋转对温度梯度有何影响？列举组分过冷的害处9.晶体生长有哪几种生长模式？主要取决于何种条件?10.简述单晶体、多晶体和非晶体在结构上的区别？11. 晶体生长形态与哪些因素有关？为什么面网密度小的晶面在生长过程中易消失？12.请分别介绍一下邻位面的生长机制、光滑界面的生长机制、粗糙界面的生长机制？它们的生长方式各有何特点？13.试推导球状晶核的形成能和临界半径。试简单解释存在临界半径的物理原因16.溶质分凝对晶体生长和晶体质量有何影响？溶质分凝的物理原因是什么？18.平衡分凝系数的定义与表达式？19.根据边界层理论，在边界层内，热量传输和质量传输主要靠什么进行？20. 什么是晶体生长的热力学控制和动力学控制?它们通常发生的条件是什么?21. 晶体生长的主要质量要求是什么？从缺陷、杂质和生产成本的角度论述。2