Physics of Sustainable Energy pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Hafemeister, David (EDT)/ Levi, Barbara G. (EDT)/ Levine, Mark D. (EDT)/ Schwartz, Peter (EDT)

出品人:

页数:444

译者:

出版时间:2008-10

价格:$ 270.07

装帧:

isbn号码:9780735405721

丛书系列:

图书标签:

可持续能源
物理学
能源转换
可再生能源
能源效率
能源政策
环境科学
材料科学
纳米技术
热力学

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具体描述

As members of the American Physical Society's Forum on Physics and Society, we are concerned with the need to produce and use energy more wisely. One contribution we feel we can make is to educate fellow physicists, especially those who teach in our colleges and universities, about the technical details of some of the more promising techniques for efficient and renewable energy. To that end, we have organized a short course on the Physics of Sustainable Energy: Using Energy Efficiently and Producing It Renewably. The short course was intended to give physicists in-depth technical background needed to evaluate these issues for teaching and research. The year after the 1973-74 oil embargo, the APS leaped into action with a study on enhanced end-use efficiency, realizing that it is easier to save a kilowatt-hour than it is to produce a kilowatt-hour.The results of the APS study appeared in the 1975 AIP Conference Proceedings 25, titled Efficient Use of Energy. It launched the energy-careers of Art Rosenfeld, Rob Socolow, Marc Ross, Dave Claridge and others. The energy programs at Lawrence Berkeley National Laboratory and at Princeton are a direct result of AIP25. The LBNL energy program for buildings and appliances has had far more effect than any action on energy supply. Savings of 75 percent for refrigerators, 50 percent for lighting and 50 percent for buildings can be directly traceable to Building 90 at LBNL.Twenty years ago, the Forum organized a short course, Energy Sources: Conservation and Renewables, at the former Office of Technology Assessment in Washington, DC. The 700-page proceedings of that short course, AIP135, served as a useful textbook for such professors as Art Rosenfeld, then at the University California at Berkeley. The book also became a valuable reference in the libraries of many physics departments, where such applied topics are often scarce.

《物理学新视界：探索能量的未来》引言在人类文明的长河中，对能量的探索与利用始终是驱动社会进步的核心动力。从钻木取火的远古时代，到如今琳琅满目的能源科技，我们从未停止过对更高效、更清洁、更可持续能源解决方案的追寻。进入21世纪，随着全球气候变化的严峻挑战日益凸显，以及化石燃料储备的逐渐枯竭，能源结构的转型已成为一项刻不容缓的全球性议题。《物理学新视界：探索能量的未来》一书，并非聚焦于某一特定领域或技术的详细阐述，而是旨在为读者构建一个宏大而深刻的物理学视角，用以理解和审视我们当前所处的能源时代，并展望未来可能的发展方向。本书将从基础物理原理出发，拨开纷繁复杂的能源技术表象，深入探究支撑各种能源形式的根本物理规律。它并非一本堆砌了繁复公式的教科书，而是希望通过清晰的逻辑、生动的案例，激发读者对能源背后物理学奥秘的兴趣，从而更理性、更深刻地认识能源问题。本书的目标读者是那些对物理学原理与现实世界应用之间的联系充满好奇的个体，无论是学生、科研人员，还是对能源未来抱有深刻关切的社会公众。我们力求以一种既严谨又不失通俗易懂的方式，展现物理学在理解和革新能源技术中的关键作用。第一篇：物质与能量的宇宙基石在踏上探索能量未来的旅程之前，我们必须首先回顾和理解构成我们宇宙最基本的物质与能量的相互关系。本篇将带领读者重温那些塑造了我们对世界认知的经典物理学概念，并在此基础上，探讨这些基本原理如何直接或间接地影响着我们对能量的获取、转化和利用。经典力学与能量守恒：牛顿的运动定律奠定了经典力学的基础，而能量守恒定律则是其最为重要的推论之一。我们将回顾能量在机械能、热能、电能等不同形式之间的相互转化，理解其在宏观世界的普遍性。这一点对于理解能量转换效率、能量损耗的来源至关重要，无论是机械动力系统还是发电厂的运行，都离不开这一基本原理的指导。热力学定律：热力学是研究能量及其转化的科学。本书将深入浅出地介绍热力学第一、第二和第三定律。第一定律，即能量守恒，在能量转换的宏观层面上扮演着核心角色。第二定律，关于熵增和能量的不可逆性，则深刻地揭示了任何能量转换过程的效率极限，并解释了为什么“永动机”是不可能实现的。对这些定律的理解，能够帮助我们评估不同能源技术（如内燃机、蒸汽轮机、热泵）的内在局限性，并指引我们寻找更高效的解决方案。电磁学基础：电能是我们现代社会最为重要的二次能源形式。本书将回顾法拉第电磁感应定律、麦克斯韦方程组等基础概念，阐述发电机、电动机、变压器等核心电气设备的工作原理。理解电磁波的传播，也为我们认识无线能量传输、太阳能光伏效应等前沿技术奠定基础。量子力学与微观世界的能量：尽管经典物理学足以解释许多宏观能源现象，但微观世界的量子力学为我们提供了更深层次的洞察。光电效应、半导体材料的能带理论、核反应中的质量亏损等，都离不开量子力学的解释。例如，太阳能电池将光子能量转化为电能的机制，以及核能的巨大能量来源，都植根于量子力学的范畴。我们将探讨量子力学如何重塑我们对物质本质和能量相互作用的理解，并为新能源技术（如高效LED、量子计算驱动的能源管理）提供理论支撑。第二篇：穿越能量的多元宇宙在掌握了基础物理原理后，本篇将带领读者穿越由各种能源形式构成的“多元宇宙”，从传统能源到新兴的可再生能源，深入探究它们背后的物理机制、优劣势以及发展前景。本书将以批判性的视角，分析每种能源形式在物理学原理层面上的限制与机遇。化石燃料的物理学：尽管是过时的能源，但理解化石燃料（煤、石油、天然气）的能量来源——化学键能——及其燃烧过程中释放能量的物理化学过程，仍然具有重要意义。我们将探讨其能量密度、转化效率的物理学限制，以及燃烧过程中产生的温室气体和污染物的物理和化学特性，从而理解其不可持续性的物理根源。核能的物理学：核能，无论是裂变还是聚变，都代表着巨大的能量潜力。本书将深入剖析核裂变反应堆中链式反应的物理过程，了解中子散射、俘获等关键物理现象。对于核聚变，我们将探讨等离子体物理、磁约束与惯性约束聚变的核心物理原理，以及实现可控核聚变所面临的挑战，如等离子体不稳定性、材料耐受性等。太阳能的光物理与光化学：太阳能是取之不尽用之不竭的能量来源。我们将详细探讨光子与物质的相互作用，特别是光伏效应，解释太阳能电池如何将光能转化为电能。这包括半导体的能带结构、激子形成、电荷分离与传输等物理过程。此外，我们还将涉及光催化、热光伏等太阳能利用的新技术，其背后都蕴含着精妙的光物理与光化学原理。风能与水能的流体动力学：风能和水能的利用，本质上是对流体动能的捕获。本书将运用流体动力学的基本原理，如伯努利方程、能量守恒在流体中的应用，来解释风力涡轮机和水力发电机的设计与效率。我们将探讨风速、水流速度、叶片设计、涡轮效率等物理因素如何影响能量的捕获能力，以及湍流、空蚀等可能存在的物理限制。地热能与生物质能的物理化学：地热能的利用涉及地球内部的热传导与对流过程。本书将简要介绍地热梯度、岩石的热物性等相关概念。生物质能，作为一种储存的太阳能，其能量释放主要通过燃烧、气化或发酵等生物化学过程，其效率与材料的化学组成、转化过程的物理条件密切相关。储能技术的物理学：能源的波动性是可再生能源广泛应用的主要挑战。因此，储能技术变得尤为关键。本书将从物理学角度审视不同储能方式的原理：电化学储能（电池）：深入剖析锂离子电池、固态电池等的工作原理，包括离子在电解质中的传输、电极反应动力学、电势差的产生等。机械储能：讲解抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，关注其能量转换的机械效率、能量密度等物理参数。热能储能：探讨相变材料、显热材料等在储存和释放热能过程中的物理特性，如比热容、潜热等。氢能的物理化学：氢气作为一种清洁的能量载体，其生产（电解水）、储存（物理吸附、化学键合）和利用（燃料电池）都涉及复杂的物理化学过程。我们将探讨电解水的效率、氢气储存的安全性与密度问题，以及燃料电池的电化学反应机理。第三篇：物理学驱动的能源未来在理解了各类能源形式的物理学基础后，本篇将展望物理学如何继续驱动能源技术的创新，引领我们走向一个更可持续的未来。我们将聚焦于前沿物理学研究在能源领域的新应用，以及跨学科融合带来的突破。新材料的物理学：材料科学是能源技术发展的基础。本书将探讨新一代太阳能电池材料（如钙钛矿、有机太阳能电池）的物理特性，理解其光电转换机制。还将介绍用于高温超导、高效催化、先进储能等领域的纳米材料、智能材料的物理学原理。材料的晶体结构、电子态、表面性质等，都直接影响着其在能源应用中的性能。等离子体物理与聚变能的曙光：聚变能被誉为“终极能源”，其实现依赖于对极端高温等离子体行为的深刻理解和精确控制。本书将介绍托卡马克、仿星器等磁约束聚变装置的工作原理，以及激光驱动惯性约束聚变的物理过程。我们将探讨等离子体的不稳定性、输运、加热等核心物理问题，以及材料科学在应对聚变环境挑战中的作用。量子效应与下一代能源技术：量子力学不仅解释了现有技术，也孕育着未来的颠覆性技术。本书将探讨量子点在高效发光和太阳能转化中的应用，量子传感在能源监测与管理中的潜力，以及量子计算在优化能源网络、模拟复杂化学反应（如催化剂设计）中的革命性作用。能源互联网与智能物理：随着可再生能源占比的提高，构建高效、稳定的能源互联网成为必然。本书将探讨物理学在电力系统稳定运行、能量流动优化、需求侧响应等方面的作用。智能电网需要运用物理学原理来预测发电量、管理负荷、进行故障诊断，并可能借助先进的通信和控制物理学来实现更高级的功能。环境物理学与可持续发展：能源的利用与环境密切相关。本书将简要介绍环境物理学的一些概念，如温室效应的物理机制、污染物扩散模型、气候变化中的能量平衡等。理解这些物理过程，有助于我们更科学地评估能源技术的环境影响，并设计更绿色的能源解决方案。结语《物理学新视界：探索能量的未来》一书，旨在为读者提供一个独特的视角，使之能够运用物理学的基本原理，去理解、分析并展望能源的未来。它并非一本技术手册，而是希望成为一座桥梁，连接起抽象的物理学概念与我们日常生活中息息相关的能源问题。通过对物质与能量宇宙基石的重温，对多元能量世界的深入剖析，以及对物理学驱动的未来能源图景的描绘，我们希望激发读者对能源科学更深刻的认识，并鼓励大家在各自的领域内，为构建一个可持续的能源未来贡献力量。能源的未来，不仅是工程技术的进步，更是对物理学世界更深层次探索的成果。