第一章能源概论
能源作为经济和社会发展的动力因素，始终是一个国家发展最重要的战略资源之一。如今，能源问题已成为困扰世界各国发展的共同难题，直接关系到社会经济的发展、环境的改善和人民生活水平的提高。能源的开发利用、能源对环境的影响、能源安全等问题，已成为21世纪国际社会的热点话题。
我国能源总量丰富，但人均占有量远远低于世界平均水平。我国能源生产和消费结构突出表现为煤多、油少、气少；能源消费增长迅速，消费水平低；能源利用率较低；能源供需矛盾十分突出；能源对环境产生了十分严重的影响；石油等能源的安全受到严重威胁。我国作为世界第二大能源消费国和第三大能源生产国，能源工业面临着协调经济增长与环境保护的双重压力。在不久的将来，随着经济的持续高速发展，能源的供需矛盾将会日益突出，能源已成为并将持续成为我国经济和社会发展的“瓶颈”。
第一节能量
能量是物质运动的量度。自然界一切物质都具有能量，能量不能被凭空创造，也不可自行消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，转换过程中能量总量守恒。广义上讲，能量就是产生某种效果（变化）的能力，产生某种效果（变化）的过程必然伴随着能量的消耗或转化。物理学上把能量定义为做功的本领。在国际单位制中，为了方便，能量、功和热量的单位通常用SI导出的单位焦耳（J）表示，以代替牛顿·米（N·m）。
一、能量的构成和性质
1.能量的构成
能量基本由外部能和内部能两部分构成。外部能以外界物质为参考坐标，是物质宏观运动所具有的能量。内部能是体系内粒子微观运动所具有的能量总和。广义的内部能是指当体系质心静止时，体系的微观粒子（包括分子、原子、电子、离子、光子等）的运动能量总和。能量具有状态性、可加性、传递性、转换性、做功性、贬值性等性质。外部能有机械能，内部能包括热能、电能、辐射能（量子能）、化学能、核能（原子能）等形式。
1）机械能。人类最早认识的能量形式，包括动能和势能。动能与物质宏观机械运动相关，指物体（或系统）由于机械运动而具有的做功能力；势能与物体空间状态相关，指物体（或系统）因所处高度受重力作用而具有的重力势能，以及由于弹性变形或表面张力的存在而具有的弹性势能或表面能。
2）热能。构成物质的分子所具有的动能与势能的总和，宏观表现为温度的高低。热能反映了分子运动的程度或强度，其他形式的能量都可能完全转换为热能，并且绝大多数的一次能源都是首先以热能的形式被利用的。
3）电能。有关电子流动和积累的一种能量形式，通常由电池中的化学能或机械能转换得到。荷电物体所产生的吸力（斥力）或电流通过电动机转化成机械能的能力显示了电能做功的本领。
4）辐射能（量子能）。物体以电磁波形式发射的能量。物体因热而发出的电磁波称为热辐射。从能量的利用角度来看，太阳能等热辐射能具有深远的意义。
5）化学能。物质（或体系）在化学反应过程中以热能形式释放的能量，是物质结构能的一种。物质燃烧释放的化学能通常用发热值表示，也称发热量或热值，是单位质量（对固体、液体）或体积（气体、液体）的燃料经过完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前温度时所释放的热量，单位通常为kJ/kg或kJ/m3。化学能有高位热值和低位热值之分。高位热值指燃料完全燃烧，并且燃烧产物中的水以水蒸气状态存在时所放出的热量；低位热值在数值上等于高位热值减去水的汽化潜热。由于燃料在转化设备（如内燃机、锅炉）中燃烧时，产生的水都呈蒸气状态，因而在实际计算和应用中常用低位热值作为依据。
6）核能（原子能）。又称核内能，是蕴藏在原子核内部的能量，也是物质的一种结构能。质量小的原子（如氘、氚等）与质量大的原子（摩尔质量数大于182，如铀等）核子之间的结合力比中等质量的原子核子之间的结合力小，这两类原子核在一定条件下可以通过核聚变或裂变转化成更稳定的中等质量原子核，同时因“质量亏损”释放出巨大的结合能——核能，相应的反应称为核聚变反应或核裂变反应。除核能外，可以分别应用质量和能量守恒定律处理其他能量。但是核能是由核物质的一部分质量转化而来的结构能，因此核能转化则需将质量和能量联系起来，这种转化可以用著名的爱因斯坦质能方程式表示：
E＝mc2
式中，E为物质释放的能量，单位：J；
m为释放出能量的物质的质量，单位：kg；
c为光速，3×108m/s。
2.能量的性质
1）状态性。在热力学系统中，能量的基本状态参数有两类：第一类与物质的量无关，不具有加和性，称为强度量，包括温度、压力、速度、电势、化学势等；第二类与物质的量相关，具有加和性，称为广延量，包括体积、动量、电荷量、物质的量等。
2）可加和性。不同量的物质，具有不同的能量，即可加和；不同物质所具有的能量也可相加，即一个体系获得的总能量等于输入该体系的所有能量之和。
3）传递性。能量可以从一个物质传递到另一个物质或从一个地方传递到另一个地方。
4）转换性。各种形式的能量之间可以互相转换，转换效率因转换方式、转换数量等因素的不同而不同。热力学是研究能量转换方式和规律的科学，其目的是如何提高能量转换的效率。
5）做功性。一般地，做功通常指各种能量转换为机械功，而各种转换能力和程度不同。按各种能量转换为功的程度可以将能量分成无限制转换能（全部转换能）、有限制转换能（部分转换能）和不转换能，相应地又被称为高质能、低质能和废能。
6）贬值性。即能的质量损失，也称内部损失、不可逆损失。在能量的传递和转换过程中，由于存在多种不可逆因素，致使能量损失，主要表现为能量、质量或做功能力的降低。当达到与系统环境平衡的状态而失去做功能力时则成为废能，即能量贬值。
二、能量的转换和传递
1.能量的转换
能量的转换通常指能量形态的转换，广义上看能量转换应包括以下3项内容：
1）能量在形态上的转换，即通常所说的能量转换；
2）能量在空间上的转换，即能量的传输；
3）能量在时间上的转换，即能量的储存。
任何能量的转换过程都必须遵守能量守恒定律，即：
输入能量-输出能量＝储存能量的变化
目前，一次能源主要通过燃烧等环节，以热的形式被直接利用（如在工艺设备中）或间接利用（如通过动力和发电设备），因而热能、机械能和电能成为最普遍的能量形式。各种能量的转换都需要在一定的条件和设备或系统中才能实现。不同能源与热能的转换及利用情况如图1.1所示，主要的几种能源的转换和利用如图1.2所示，表1.1列出了能量转换过程及实现转换所需的设备或系统。
2.能量的传递
能量的利用是通过能量的传递来实现的，即能量的利用过程也就是能量的传递过程。
1）能量传递条件。能量传递的动力是所谓的“势差”，即能量密度差，如同热量的传递要有温差、导电要有位差、流动要有压差或势差、扩散要有浓度差、化学反应要有化学势差等。能量可以从能量密度大的物质或能量集中的地方向能量密度小的物质或能量分散的地方传递，并逐步达到平衡。
2）能量传递规律。能量传递速率与传递的动力成正比，与传递阻力成反比，即：
传递速率＝传递动力传递阻力
例如，导电I＝V/R（其中：I为电流强度；V为元件两端的电压；R为电阻），传热Q＝Δt/Ri（其中：Q为传热速率；Δt为温差；Ri为热阻）。
3）能量传递形式。能量的传递包括转移和转换两种形式。转移是某种形态的能从一地到另一地或从一物到另一物；转换则是能量由一种形态转变为另一形态。这两种形式通常是同时或交替完成能量的传递过程。
4）能量传递途径。能量传递的基本途径有两种：一是由物质交换和质量迁移而携带能量的途径称为携带能途径；二是在体系边界面上的能量交换途径称为交换能途径。对于开放系统这两种途径同时存在，而封闭系统则主要靠能量交换。
5）能量传递方法。在体系边界面上，能量通常主要以两种方法传递：传热——由温差引起的能量交换，是能量传递的微观形式；做功（这里指广义功）——由非温差引起的能量交换，是能量传递的宏观形式。
6）能量传递方式。通过能量交换而实现能量传递，即传热和做功，传热的基本方式是热传导、热对流和热辐射；做功（这里指机械功）的基本方式是容积功、转动轴功和流动功（推动功）。
7）能量传递结果。能量传递的结果主要体现在能量在使用过程中所起的作用和能量的去向两方面。以生产为例，能量的作用主要是：①用于物料，最终成为产品的一部分；②用于工艺过程、运输过程和动力过程，成为过程的推动力，生产得以实现。能量传递的最终去向通常转移到产品或散失于环境中，包括直接损失和用于过程后进入环境两种情况。
8）能量传递的实质。能量传递的实质就是能量利用的实质。如果把产品的使用也包括在内，那么能量的最终去向是进入环境，即能量的利用是通过能量的传递使能量由能源最终进入环境。结果是能源被消耗了，能量被利用了，但能量没有消失。
三、能量的科学利用
能量的科学利用是建立在能量的可利用性基础之上的。能量的可利用性是指能量可以利用的程度和限度。能量的可利用性包括能的数量和质量方面的利用，包括做功能和不做功能两个部分的利用，包括做功与传热两种方式的利用，以及包括上述3方面的综合利用，从而最大程度和限度地利用能源提供的能量。
依据能量的可利用性，科学用能的概念可归纳为：
用能的指导思想——追求用能过程的最小不可逆性，实现完全用能；
用能的基本原则——即按质用能，使供能与用能的品质匹配，实现合理用能；
用能的主体——能的数量利用尽可能减少外部损失，实现有效用能；
用能的本质——能的质量利用尽可能降低内部损失，实现充分用能；
用能的系统工程——包括做功能和不做功能、功与热、动力与工艺等各种能的应用与综合，实现优化用能。
1.完全用能的指导思想——最小不可逆性
在实际生产中，由于能量的传递是不可逆的过程，必然会造成一定的能量损失。这种不可逆损失是热力学意义上真正的损失，称为内部损失。许多外部损失也可能由内部损失引起，如摩擦。因此，科学用能的指导思想就表现为减少不可逆造成的内部损失，追求生产工艺过程许可的最小不可逆性。
能量传递的不可逆程度取决于传递的动力和阻力，所以完全用能有两个出发点：一是减少传递的动力，即减小能量传递过程中的温差、压差、位差、势差、密度差、浓度差等；二是降低传递的阻力，即不断地降低摩擦、热阻等。据此，必须提高设备制造精度，改造或开发新设备或新工艺以适应减少能量密度差的要求。
2.合理用能——用能的基本原则
合理用能主要表现在两方面：首先是严格地按质用能，即按能量的质量来确定能的用途，使用能与供能相匹配，这是合理用能的最基本原则；其次是简单用能，不断改进工艺流程、减少设备、缩短管线、尽可能减少能量的传递次数和环节，降低不可逆损失。
3.有效用能——能的数量利用
减少外部能量（即在用能过程中未被利用而散失到环境中的能量）损失，最大限度地利用能的数量是实现有效用能的基本原则。外部能量损失主要有功损和热损（冷损）。表现形式有排烟损失、排气损失、冷却损失、散热损失、不完全燃烧损失、摩擦损失、空载损失、无功损失等，即表现为能量的流失和漏损。
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