第一章 能源概論

第一節 能量與能源

一、能量形式

能量是一切物質運動、變化和相互作用的度量。能量從實質上講就是利用自然界的某一自發變化的過程來推動另一人為的過程。例如，水力發電就是利用水會自發地從高處流往低處的這一自發過程，使水的勢能轉化為動能，再推動水輪機轉動，水輪機又帶動發電機，通過發電機將機械能轉換為電能供人類利用。顯然能量利用的優劣、利用效率的高低與具體過程密切相關。而且利用能量的結果必然和能量系統的始末狀態相聯系，例如，水力發電系統通過消耗一部分水能來獲得電能，系統的始末狀態(如水位、流量等)都發生了變化。對能量的分類方法沒有統一的標準，到目前為止，人類認識的能量有如下6種形式。

1.機械能

機械能是與物體宏觀機械運動或空間狀態相關的能量，前者稱為動能，后者稱為勢能。它們都是人類最早認識的能量形式。具體而言，動能是指系統(或物體)由于做機械運動而具有的做功能力。如果質量為m的物體的運動速度為u，則該物體的動能Ek可以用式(1-1)計算，即

勢能與物體的狀態有關，除了受重力作用的物體因其位置高度不同而具有所謂重力勢能外，還有彈性勢能(即物體由于彈性變形而具右的做功本領)和表面能(即不同類物質或同類物質不同相的分界面上，由于表面張力的存在而具有的做功能力)。重力勢能Ep可以用式(1-2)計算，即

2.熱能

熱能是能量的一種基本形式，所有其他形式的能量都可以完全轉換為熱能，而且絕大多數的一次能源都是先經過熱能形式而被利用的，因此熱能在能量利用中具有重要意義。構成物質的微觀分子運動的動能和勢能總和稱為熱能。這種能量的宏觀表現是溫度的高低，它反映了分子運動的激烈程度。若系統熵的變化為山，則熱能Eq可表示成

3.電能

電能是和電子流動與積累有關的一種能量，通常由電池中的化學能轉換而來，或通過發電機由機械能轉換得到;反之，電能也可以通過電動機轉換為機械能，從而顯示出電能做功的本領。如果驅動電子流動的電動勢為U，電流強度為J，則其電能Ee可表示為

4.輻射能

輻射能是指物體以電磁波形式發射的能量。物體會因各種原因發出輻射能，利用的角度而言，因熱的原因而發出的輻射能(又稱熱輻射能)是最有意義的，表面所接受的太陽能就是最重要的熱輻射能。物體的輻射能Er計算式為

5.化學能

化學能是物質結構能的一種，即原子核外進行化學變化時放出的能量。按化學熱力學定義，物質或物系在化學反應過程中以熱能形式釋放的內能成為化學能。人類利用最普遍的化學能是燃燒碳和氫，而這兩種元素正是煤、石油、天然氣、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。燃料燃燒時的化學能通常用燃料的發熱值表示。

單位質量(對固體、液體燃料)或體積(氣體燃料)的燃料在完全燃燒，且燃燒產物冷卻到燃燒前的溫度時，所放出的熱量稱為燃料的發熱量(發熱值或熱值)，單位為kJ/kg或kJ/m3。應用上又將發熱量分為高位發熱量和低位發熱量。高位發熱量是指燃料完全燃燒，且燃燒產物中的水蒸氣全部凝結成水時所放出的熱量;低位發熱量是燃料完全燃燒，而燃燒產物中的水蒸氣仍以汽態存在時所放出的熱量。顯然，低位發熱量在數值上等于高位發熱量減去水的汽化潛熱。由于燃燒設備，如鍋爐中燃料燃燒，燃料中原有的水分及氫燃燒后生成的水均呈蒸汽狀態隨煙氣排出，因此低位發熱量接近實際可利用的燃料發熱量，所以在熱力計算中均以低位發熱量作為計算依據。表1-1為各種不同燃料低位發熱量的概略值。

6.核能

核能是蘊藏在原子核內部的物質結構能。輕質量原子核(氘、氚等)和重質量原子核(鈾等)其核子之間的結合力比中等質量原子核的結合力小，這兩類原子核在一定的條件下可以通過核聚變和核裂變轉變為在自然界中更穩定的中等質量原子核，同時釋放出巨大的結合能。這種結合能就是核能。

二、能量性質

能量性質主要有狀態性、可加性、傳遞性、轉換性、做功性和貶值性。

1.狀態性

能量取決于物質所處的狀態，物質的狀態不同，所具有的能量也不同(包括數量和質量)。其基本狀態參數可以分為兩類：一類與物質的量無關，不具有可加性，稱為強度量，如溫度、壓力、速度、電動勢和化學勢等;另一類與物質的量相關，具有可加性，稱為廣延量，如體積、動量、電荷量和物質的量等。對能量利用中常用的工質，其狀態參數為溫度T、壓力p和體積V，因此它的能量E的狀態可表示為

2.可加性

物質的量不同，所具有的能量也不同，即可相加;不同物質所具有的能量也可相加，即一個體系所獲得的總能量為輸入該體系多種能量之和，故能量的可加性可表示為

3.傳遞性

能量可以從一個地方傳遞到另一個地方，也可以從一種物質傳遞到另一種物質。例如，對傳熱來講，能的傳遞性可表示為

4.轉換性

各種形式的能可以互相轉換，其轉換方式、轉換數量、難易程度均不盡相同，即它們之間的轉換效率是不一樣的。研究能量轉換方式和規律的科學是熱力學，其核心任務就是如何提高能量轉換的效率。