第一章 能源概論

第一節(jié) 能量與能源

一、能量形式

能量是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化和相互作用的度量。能量從實(shí)質(zhì)上講就是利用自然界的某一自發(fā)變化的過程來推動(dòng)另一人為的過程。例如，水力發(fā)電就是利用水會(huì)自發(fā)地從高處流往低處的這一自發(fā)過程，使水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能供人類利用。顯然能量利用的優(yōu)劣、利用效率的高低與具體過程密切相關(guān)。而且利用能量的結(jié)果必然和能量系統(tǒng)的始末狀態(tài)相聯(lián)系，例如，水力發(fā)電系統(tǒng)通過消耗一部分水能來獲得電能，系統(tǒng)的始末狀態(tài)(如水位、流量等)都發(fā)生了變化。對(duì)能量的分類方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，到目前為止，人類認(rèn)識(shí)的能量有如下6種形式。

1.機(jī)械能

機(jī)械能是與物體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)或空間狀態(tài)相關(guān)的能量，前者稱為動(dòng)能，后者稱為勢(shì)能。它們都是人類最早認(rèn)識(shí)的能量形式。具體而言，動(dòng)能是指系統(tǒng)(或物體)由于做機(jī)械運(yùn)動(dòng)而具有的做功能力。如果質(zhì)量為m的物體的運(yùn)動(dòng)速度為u，則該物體的動(dòng)能Ek可以用式(1-1)計(jì)算，即

勢(shì)能與物體的狀態(tài)有關(guān)，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(shì)能外，還有彈性勢(shì)能(即物體由于彈性變形而具右的做功本領(lǐng))和表面能(即不同類物質(zhì)或同類物質(zhì)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(shì)能Ep可以用式(1-2)計(jì)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(zhuǎn)換為熱能，而且絕大多數(shù)的一次能源都是先經(jīng)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(gòu)成物質(zhì)的微觀分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能總和稱為熱能。這種能量的宏觀表現(xiàn)是溫度的高低，它反映了分子運(yùn)動(dòng)的激烈程度。若系統(tǒng)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(dòng)與積累有關(guān)的一種能量，通常由電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來，或通過發(fā)電機(jī)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換得到;反之，電能也可以通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而顯示出電能做功的本領(lǐng)。如果驅(qū)動(dòng)電子流動(dòng)的電動(dòng)勢(shì)為U，電流強(qiáng)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(fā)射的能量。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，利用的角度而言，因熱的原因而發(fā)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(yáng)能就是最重要的熱輻射能。物體的輻射能Er計(jì)算式為

5.化學(xué)能

化學(xué)能是物質(zhì)結(jié)構(gòu)能的一種，即原子核外進(jìn)行化學(xué)變化時(shí)放出的能量。按化學(xué)熱力學(xué)定義，物質(zhì)或物系在化學(xué)反應(yīng)過程中以熱能形式釋放的內(nèi)能成為化學(xué)能。人類利用最普遍的化學(xué)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(shí)的化學(xué)能通常用燃料的發(fā)熱值表示。

單位質(zhì)量(對(duì)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(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時(shí)，所放出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量(發(fā)熱值或熱值)，單位為kJ/kg或kJ/m3。應(yīng)用上又將發(fā)熱量分為高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量。高位發(fā)熱量是指燃料完全燃燒，且燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣全部凝結(jié)成水時(shí)所放出的熱量;低位發(fā)熱量是燃料完全燃燒，而燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以汽態(tài)存在時(shí)所放出的熱量。顯然，低位發(fā)熱量在數(shù)值上等于高位發(fā)熱量減去水的汽化潛熱。由于燃燒設(shè)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(tài)隨煙氣排出，因此低位發(fā)熱量接近實(shí)際可利用的燃料發(fā)熱量，所以在熱力計(jì)算中均以低位發(fā)熱量作為計(jì)算依據(jù)。表1-1為各種不同燃料低位發(fā)熱量的概略值。

6.核能

核能是蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能。輕質(zhì)量原子核(氘、氚等)和重質(zhì)量原子核(鈾等)其核子之間的結(jié)合力比中等質(zhì)量原子核的結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)樵谧匀唤缰懈€(wěn)定的中等質(zhì)量原子核，同時(shí)釋放出巨大的結(jié)合能。這種結(jié)合能就是核能。

二、能量性質(zhì)

能量性質(zhì)主要有狀態(tài)性、可加性、傳遞性、轉(zhuǎn)換性、做功性和貶值性。

1.狀態(tài)性

能量取決于物質(zhì)所處的狀態(tài)，物質(zhì)的狀態(tài)不同，所具有的能量也不同(包括數(shù)量和質(zhì)量)。其基本狀態(tài)參數(shù)可以分為兩類：一類與物質(zhì)的量無關(guān)，不具有可加性，稱為強(qiáng)度量，如溫度、壓力、速度、電動(dòng)勢(shì)和化學(xué)勢(shì)等;另一類與物質(zhì)的量相關(guān)，具有可加性，稱為廣延量，如體積、動(dòng)量、電荷量和物質(zhì)的量等。對(duì)能量利用中常用的工質(zhì)，其狀態(tài)參數(shù)為溫度T、壓力p和體積V，因此它的能量E的狀態(tài)可表示為

2.可加性

物質(zhì)的量不同，所具有的能量也不同，即可相加;不同物質(zhì)所具有的能量也可相加，即一個(gè)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(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方，也可以從一種物質(zhì)傳遞到另一種物質(zhì)。例如，對(duì)傳熱來講，能的傳遞性可表示為

4.轉(zhuǎn)換性

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