理想气体混合物的压力是理想气体个组元的分压力之和，所以这一性质与理 想气体类同。将黑体光子气体与理想气体区别的一种特征式是
p pv dv
0

可见，如果黑体辐射的温度保持恒定，那么不仅其单位体积热力学能，而且 其压力都不变。作为一个热力学系统，黑体辐射完全决定于V和T，或者V和P， 或者V和U。
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水蒸气形成雨雪 空气、地表吸热 光热转换 空气变热形成风
光化转换 光合作用
食物中的化学能
光电转换
煤炭
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三、热力学原理
从热力学角度分析传热，首先要明白两个概念的变化。 第一，通常传热研究具有不同温度的两个或更多表面之间净能量的交 换，而经典热力学确是基于热力平衡的概念进行分析的即各表面彼此之 间处于平衡，这种平衡包含这些表面之间辐射的平衡； 第二，一般传热将热辐射作为电磁波处理，热力学则将其作为不连续 粒子（光子），从而定义热辐射的热力学性质，并将热辐射系统的热力 学性质归结为吉布斯基本关式 。 热力学的光子模型中所谓光子气体，就是通过聚集光子的空间场与充 满理想气体的空间场假说的类比而得名。
3.2 温度

假设空间V最初是被完全抽成真空，考虑在该空间置物体A，其表面具有发 射和吸收频率为 的光子的特性。如果有许多其他光子在封闭空间穿行，物 体A对这些光子是完全透明的。最后空间充斥着频率为 的单色辐射，同时物 体A达到 的平衡温度，这时认为单色辐射具有同样的温度 ，因为它与测 量温度为 的物体达到了平衡。根据热力学第零定律，热辐射温度也能通过测 定与辐射达到平衡时的物体的温度而间接地决定。
和光子气体所组成的孤立系统系，由于该可逆过程，所以熵增为零， 即
dS0 dS 0
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式中， 为光子气系统的熵增，则光子气体系统
对于黑体辐射有
设定在绝对零度时，熵为零，则体积V内黑体辐射的熵值为 单位体积内黑体辐射的比熵为
由此得出以下结论：正如比体积热力学能(u)一样，黑体辐射的比熵 仅是绝对温度的函数。
1 1 从而得出分光子其压力 pv nv hv uv 这里 ，pv的单位为 pa s 3 3
单色辐射占据，有 v
N
V
nv ,m
c2 因
hv,Vavg c
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在黑体辐射情况下，同理得到总压力 1 1 p nhv u p 由黑体辐射施加的压力是所有分压力 v之和: 3 3
现在考虑空间V仅包含温度为T的黑体辐射。这些黑体无限小且处于平衡状 态。空间内单位体积和单位频率段的光子数 可以用普朗克的光子体积密 度公式来计算： 8v 2 c 3
式中k为波尔兹曼常数 空间内与光子体密度
nv
exp(hv
kT
1)
nv 相应的单位体积能量为 uv nv hv,即为
8hv3c 3 uv exp(hv ) 1 kT
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3.6 热容量
对于在定容加热的黑体辐射，热容量 加，、 有 因 随绝对温度增加而急剧增
在常压下温度变化为零，故定压热容量无限大，即
最后，不管是对单色辐射，还是黑体辐射，光子气体的吉布斯自由焓 为零，即
光子的化学势也是零
N是光子总数。
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3.7 辐射系统的可逆过程和循环
太阳能自动跟踪示意图
太阳能自动跟踪示装置 爱国 勤学 务实 奋进
四、太阳能发电系统
太阳能发电分光热发电 和光伏发电。不论产销量、 发展速度和发展前景、光热 发电都赶不上光伏发电。可 能因光伏发电普及较广而接 触光热发电较少，通常民间 所说的太阳能发电往往指的 就是太阳能光伏发电，简称 光电。 下面对太阳能光伏发电 和光热发电做出解释。
工程热力学在太阳能方面的应用
一
太阳能研究背景及现状 热力学原理 提高太阳能利用的途径 太阳能发电站 太阳能前景及展望
二 三 四 五
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一、太阳能研究背景及现状
能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的 基本条件。在中国实现现代化和全体人民共同富裕的进程中，能源始终 是一个重大战略问题。 中国能源发展面临着诸多挑战。能源资源禀赋不高，煤炭、石油、 天然气人均拥有量较低。能源消耗总量近年来增长过快，保障能源供应 压力增大。化石能源大规模开发利用，对生态环境造成一定程度的影响。 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提 出：到2015年，中国非化石能源占一次能源消费比重达到11.4％，单 位国内生产总值能源消耗比2010年降低16％，单位国内生产总值二氧 化碳排放比2010年降低17％。
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3.5 熵
考虑一个无限小的可逆过程。其状态由V，U变化到V+dV，U+dU。
根据热力学第一定律，有 Qrev pdV dU 式中，是系统 对于外界环境所做的可逆微元功，是外界向系统的可逆热 量传递，后者伴随着环境熵减少，有
dS0
Qrev
T
式中，T是系统和环境之间相互进行可逆传热的绝热温度。对于环境
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同理，用黑体B代替物体A来重复以上讨论。此时空间V中充斥所有频率的光 子，为使其能够容纳最大波长的辐射，假设空间的直线尺寸足够大，且空间V 与环境完全隔离。经过足够长的时间后，空间系统将达到内部平衡，此时黑 体B的温度，也即是与黑体平衡的辐射，或光子聚集物的最终温度。
3.3 能量
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3.1 光子
根据相对论，光子的静止质量为零。
能量
h
h p c c
动量
波长
其中

h 6.6261034 J s 是普朗克常数，为频率，c为光速。
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当能量以辐射的形式从表面稳定的发射时，光子流的每一个光子的发射都 导致固体中一个原子的能量水平下降。另一方面，光子的吸收伴随着能量传 递到该表面，同时固体材料的原子经历了 向更高能量态的跃迁。
热能 电能 化学能 生物质能
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三、提高太阳能装置能源利用率的途径
太阳能装置,如何最大限度的提高太阳能的利用率,解决这一问 题应从两方面入手：
提高太阳能装置的能量转换率 提高太阳能的接收效率
前者属于能量转换领域还有待研究,而后者利用现有的技术可以 解决，应用不同的太阳跟踪系统可以提高太阳能的接收率，为解 决这一问题提供了可能。
可逆绝热膨胀或压缩
考虑容积从 ，在没有热传递的情况下， ， 过程可以描述为 进一步可化为
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可逆等温膨胀或压缩
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卡诺循环
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3.8 封闭黑体辐射的最大有用功

在太阳能转化为机械能的过程中会经历由高温到低温的不可逆能量 转化过程，从而系统必然伴随熵产的发生。那么对热辐射中可以获取 最大有用功便是一直以来讨论的重点。 对封闭辐射系统的分析表明：最大转换效率ηc涉及到以太阳能作为 高温热源，环境作为低温热元的可逆循环。此时Pelela导出了可变反 射封闭系统达到寂态时，所输出的最大有用功及相应效率为
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火电需要燃烧煤 、 石油等化石燃料 。 一方面 化石燃料蕴藏量有限 ；另一方面燃烧燃料将排 出CO 2 和硫的氧化物, 因此会导致温室效应和 酸雨, 恶化地球环境 。 水电要淹没大量土地, 有可能导致生态环 境破坏, 而且大型水库一旦塌崩, 后果将 不堪设想 。 另外, 还要受季节的影响 。 核电在正常情况下固然是干净的, 但万 一发生核泄漏, 后果同样是可怕的。 由于以上原因致使人们不得不去寻找新能源 。而新能源 要同时符合两个条件: ①蕴藏丰富不会枯竭; ②安全 、 干 净, 不会威胁人类和破坏环境 。 目前找到的新能源主要 有 2 种, ①太阳能, ②燃料电池 。 另外, 风力发电也可算 是辅助性的新能源 。 其中, 最理想的新能源是太阳能 。
该式由普朗克提出，对其在全频率区域积分，即可得黑体辐射的比体积能量 6 3 4 u uv dv aT 4 式中 a 7.56510 J m k

0
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因此，充满在空间V里面黑体辐射能量为 U uV aVT 4 结论：黑体辐射的单位容积总能量仅仅是温度的函数。所以光子气体有与理想
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太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽 管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为 3.75×1026W）的22亿分之一，但已非常大，太阳每秒钟照射到地 球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差 能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是 地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远 古以来贮存下来的太阳能。太阳能既是一次能源，又是可再生能 源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污 染。
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提高太阳能装置的能量转换率
在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口层、梯度界面层、μC-SiC p层 等，明显改善了电池的短波光谱响应.这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生 成主要在i层，入射光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的.而a-SiC