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热力学绪论
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生活中的热力学：
热力学几乎是无处不在的，例如：
空调与冰箱的制冷系统（电能转为热能）；
汽车、火车中的内燃机（热能转化为机械能）；
电饭锅中的加热装置（电能转化为热能）；
微波炉的加热装置（电磁能转化为热能）；
太阳能加热装置（太阳能转化为热能）；
高压锅（通过气压调节沸点）；
天然气灶（化学能转化为热能）
一些简单的热传导；
一些保温等平衡装置也属于热力学研究范畴。
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能量转换实例：
1. 温差电效应和温差电制冷器-- 温差电效应
温差引起电势差现象称为温差电效应。
产生温差电动势的原因：
a.两种金属接触处的接触电势差；
b.两种材料有温度梯度时产生的汤姆孙电动势。
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产生温差电动势的回路
V
T1, 1
T2, 2
a
b
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温差电效应和温差电制冷器
----温差电制冷器单元
玻尔贴效应：将A、B两种不同金属或半导体连成一个闭合回路，使回路中通电流后发现，当电流通过两种金属接触处（结处）时，除产生焦耳热外，还产生其他的吸放热现象，一个结处吸热，另一个结处放热。这种吸放热现象称为玻尔贴效应。
该效应是可逆的，改变电流方向，吸放热结更换。
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2. 磁流体发电（MHD power generation )
磁流体(magnetohydrodynamic)就是磁场中的导电流体。
导电流体在压力梯度的作用下沿通道流动，把导电流体看做由无数根导线组成，他们切割磁力线的运动也会产生感生电动势。当连外界负载时，就会获得电流。流动的导电流体与磁场相互作用可获得电能称为磁流体发电。
优点：磁流体发电中，导电流体本身被加热，以压力梯度推动导电流体运动，不需要原动机。
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3. 化学电池和燃料电池
(1)化学电池
通常的化学电池由正极、负极和电解质构成。
负极用容易失去电子的还原剂做成；
正极用容易获得电子的氧化剂做成，两者被电解质隔离。
工作时：
还原剂在负极被氧化，同时向外电路放出电子；
正极的氧化剂获得来自外电路的电子被还原；
反应生成的离子在正、负极间定向移动。
电子则在外电路中形成电流，通过负载做电功。
正、负极或电解质材料耗尽，电池就不能再工作。
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（2）燃料电池(Fuel cell)
燃料电池也是由正极、负极和电解质构成。
燃料电池中的两电极本身不是还原剂和氧化剂。
工作时：
还原剂（燃料）不断流向负极；
氧化剂不断流向正极；
两电极本身一方起催化作用，一方阻挡未反应的燃料和氧化剂直接进入电解质。
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氢氧燃料电池结构图
hydrogen oxygen fuel cell
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燃料电池就是工作时连续输入氧化剂和还原剂的化学电池。
负极称为燃料极，正极称为氧化极。
优点：1. 能量转化效率高；
2. 污染小，噪音低。
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4. 超级电容器 (Supercapacitor)
超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型的储能器件;
常见的超级电容器大多是双电层结构;
同电解电容器相比，超级电容器能量密度和功率密度都非常高;
同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，
特点：充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等。
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双电层电容器
利用电解液中的离子在电极/溶液界面上形成双电层的过程来储存能量。
法拉第赝电容器
利用二维和准二维材料表面发生的高度可逆的化学吸附/脱附或氧化还原反应来储存能量。
采用两种不同类型的电极材料作为正负极所组成的电容器。其中一个电极产生双电层电容, 而另一电极产生法拉第准电容。
混合电容器
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双电层电容器
充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，正负离子从溶液体相分离移动到电极表面，形成双电层。
法拉第赝电容器
电解液中的离子在外加电场作用下从溶液扩散到电极界面，再通过界面的氧化还原反应进入到电极表面活性物质体相，使大量电荷存储在电极中。
超级电容器按储能机理分类
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电极材料的分类及研究进展
碳电极材料
金属氧化物
电极材料
导电聚合物
电极材料
CNT
RuO2-coated MWNTs
MnO2
PANI and MnO2
cone-shaped of PPy
PPy-coated CNT
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作为混合动力电动汽车的动力电源
移动通讯
信息技术
航空航天
交通运输
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5. 太阳能利用—太阳能光伏电池
太阳能电池 (solar cell )优点: 永久性、清洁性和灵活性。
原理：利用了光电材料吸收光能后发生光电转换效应的光生伏特效应（所以也称为光伏电池--photovoltaic cell )。即太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
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薄膜光伏电池结构图
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太阳能电池分类：
根据所用材料的不同，太阳能电池分为：硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、 聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶化学太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
硅系太阳能电池包括：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池。目前实际发电系统使用的光伏电池以单晶硅和多晶半导体材料为主。
太阳能电池材料一般要求有：1. 半导体材料的禁带不能太宽；2. 要有较高的光电转换效率：3. 材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。
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四、非平衡热力学
是统计热力学的前身，但后来发展缓慢。
已越来越引起物理、数学和其他科学工作者的关注，是一个正在发展的研究领域。
非平衡态理论包含了几乎所有的学科领域。如耗散结构理论、混沌理论。
总之，在现代科学技术发展中，随处可见热力学和统计物理的例子和基础理论在起作用。

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