The Thermodynamics of Energy Conversion and Transport pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Sieniutycz, Stanislaw (EDT)/ De Vos, Alexis (EDT)/ Vos, Alexis De (EDT)

出品人:

页数:357

译者:

出版时间:2000-5

价格:$ 179.67

装帧:HRD

isbn号码:9780387989389

丛书系列:

图书标签:

• 热力学
• 能量转换
• 能量传输
• 传热学
• 化学工程
• 物理化学
• 能源
• 可逆过程
• 热机
• 相变

能源转换与传输中的热力学原理：跨学科前沿探索 本书深入探讨了能源系统设计与优化中的核心科学——热力学原理，并将其应用于现代能源转换和传输过程的各个层面。全书旨在为研究人员、工程师以及高级学生提供一个严谨而全面的框架，用以理解和量化能量流动的限制、效率的极限，以及系统性能的提升路径。 第一部分：热力学基础与能源系统语境重构 本书首先回顾了经典热力学，但重点在于将这些基础理论（特别是熵增原理和能量的耗散性）与实际的工程应用场景紧密结合。 1. 熵与信息论的交汇点： 详细阐述了信息熵与热力学熵之间的深刻联系，尤其是在描述系统不确定性和能量质量下降过程中的作用。我们超越了简单的宏观描述，引入了基于统计力学的视角，解释为什么能量的“有用性”是随时间递减的。探讨了如何利用信息论工具来量化能源转换过程中的不可逆性损失，而非仅仅依赖传统的卡诺效率计算。 2. 能量质量与有效能分析（Exergy Analysis）： 专门开辟章节深入讨论了有效能（可用能）的概念。有效能分析被定位为超越能量守恒（第一定律）的工具，用于衡量系统性能的真正瓶颈。本书详细区分了热能、功、化学能之间的品质差异，并为复杂的跨尺度系统（如化石燃料燃烧、太阳能捕获）构建了系统的有效能平衡方程。特别强调了如何识别和量化在不同环节（传热、混合、分离）产生的有效能降级。 3. 动态系统中的非平衡态热力学： 鉴于许多现代能源过程（如快速反应堆或电池充放电）处于远离热力学平衡的状态，本书系统地介绍了非平衡态热力学。我们着重讨论了线性非平衡热力学框架，包括麦克斯韦-德鲁特-普里戈金定理，并将其应用于描述诸如电化学电池内部的离子迁移和热梯度驱动的输运现象。这为理解瞬态和高通量能源操作提供了理论基础。 第二部分：能源转换机制的热力学优化 本部分将基础理论应用于具体的能源转换技术，重点关注效率提升的内在限制和潜在突破点。 4. 燃烧与热机的高级热力学处理： 涵盖了传统化石燃料燃烧过程的复杂性。我们不仅仅停留在化学计量学层面，而是运用化学热力学和反应动力学耦合的方法，分析了如何通过精确控制燃料-氧化剂混合、压力和温度场来最大限度地提取有效能。针对燃气轮机和斯特林循环，本书详细分析了在实际工况下，摩擦、传热损耗与循环理论效率之间的偏差来源。 5. 光热与光伏转换的热力学边界： 太阳能的捕获和利用是研究热点。对于光伏电池，本书采用Shockley-Queisser极限的扩展模型，深入剖析了辐射冷却、电荷复合以及能量分散（Spectral Mismatch）如何导致实际量子效率低于理论值。在光热系统中，我们探讨了高温流体（如熔盐）的传热效率，并基于辐射传输理论，设计了具有最小热损失的接收器几何结构。 6. 电化学储能的热力学： 锂离子电池、燃料电池等电化学设备的性能高度依赖于热力学驱动力。本书从吉布斯自由能变化的角度，系统地分析了电池的开路电压、内阻及其与温度的关系。详细讨论了不同电极材料的相变热力学，以及它们如何影响电池的循环稳定性和能量密度。对于燃料电池，我们重点研究了电化学反应的过电位损失及其在不同操作电流密度下的有效能损失分布。 第三部分：能源传输与集成系统的热力学挑战 本部分关注能量在空间和时间上的传输，以及如何通过系统集成来提高整体效率。 7. 输电与热传输的耗散建模： 探讨了电能和热能在大尺度网络中的传输效率。对于电能，虽然焦耳加热是主要损失，但本书也考虑了高压直流输电（HVDC）中的绝缘介质损耗。在热传输方面，我们分析了管道、区域供热网络中的热力学梯度维持问题，并引入了基于网络理论的热流密度分析。重点讨论了如何通过热电耦合效应（Seebeck/Peltier效应）来降低长距离传输中的热损失。 8. 跨尺度热管理与热泵系统： 热泵和制冷系统的效率瓶颈在于如何经济地提升热能品级。本书详细分析了蒸汽压缩循环的不可逆性，并引入了吸收式、吸附式和热电制冷等替代方案的热力学比较。特别是针对数据中心余热回收，我们构建了多级热泵集成模型，评估了不同工质（如天然工质）在优化COP（性能系数）时的热力学约束。 9. 能源系统的集成与热力学协同： 现代能源系统趋向于集成化（如热电联产CHP、热电冷三联供CCHP）。本书提出了一种基于全系统有效能流的评估方法，用于量化不同子系统耦合时产生的协同效应与冲突。通过案例研究，展示了如何运用热力学模型预测在耦合优化中，一个环节的效率提升是否真的会转化为总系统效率的增加，或是仅仅将损失转移到其他部分。 第四部分：面向未来的热力学前沿 最后，本书展望了下一代能源技术中的热力学挑战。 10. 负熵流与开放系统： 探讨了在自然界中如何维持低熵状态（如生命体或高效光合作用）。这部分将热力学与复杂系统理论相结合，讨论了如何设计能够主动导出熵（即增强系统有序性）的开放式能源转换装置，例如利用化学势梯度驱动的膜分离技术。 11. 量子与纳米尺度的热力学： 简要介绍了热力学向纳米尺度延伸的问题。在极小尺度上，经典热力学假设（如连续性）失效。我们考察了热电子效应、单分子马达的热力学限制，以及如何利用量子隧穿和相干性来设计超越传统卡诺极限的能量转换器件。 本书的特点在于其严谨的数学推导与广泛的工程实例相结合，为读者提供了一套强大的分析工具，用以应对未来能源系统中日益复杂的转换和传输难题。

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