1、能源的基本概念【我国能源建设的总方针】我国现代化能源建设的总方针是在“六五”期间提出的，其内容是：能源开发与节约并重，要把节能放在优先地位，大力开展以节能为中心的技术改造和结构改革。【能源政策】能源政策是指能源需求和供应有关的国家或国际政策。包括能源的生产、转换、贮存、输送、分配和利用政策、节能政策、能源资源政策、能源环境政策等。【发达国家能源开发利用的特点】发达国家在现代化进程中，能源开发利用的显著特点是：能源结构不断优质化；人均能源消费逐步增长；不断提高能源利用效率；注意环境保护。【我国能源开发利用的主要问题】当前我国能源开发利用中存在的主要问题有：能源供应数量不足；优质能源比重偏低；运煤
2、负担过重；能源效率低；环境污染比较严重。【人类利用能源历史阶段】人类对能源利用的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。随着社会生产力和科学技术的发展，人类利用能源的历史大体经历了五个阶段：1、火的发现与利用。2、畜力、风力、水力等自然动力的利用。3、化石燃料的开发和热的利用。4、电力的发现及开发利用。5、原子核能的发现及开发利用。在能源的利用史上，就其划时代性革命转折而言，主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源。第二次是石油取代煤炭而居主导地位。第三次是目前正在出现的向多能结构的过渡，这一转换现在还没有完成。【能源系统】系统大致可分为三类：自然系统、人造系统、自然系统与人造系统的复
3、合系统。自然系统由各种自然界中本来就存在的物体构成，并依其固有的客观规律运动进行演变。人造系统则由人类创造或改造的物体、设施、工程等组成。例如供热系统、输电系统等。随着人类活动领域的扩大和科学技术的发展，许多自然系统被局部改造为人造系统、从而成为复合系统。能源系统包括能源勘探、开发、生产、加工、转换、运输、分配、储备、使用，以及环境保护等各个环节，每个环节均由国民经济的若干部门组成。能源系统不但涉及各种自然的能源资源(例如原油、原煤、风力、潮汐、太阳能等)，还包括了大量的人类活动(能源勘探、开采、加工、转换、运输和使用)以及这些活动对自然环境的影响、污染与破坏，是典型的复合系统。能源系统的分类
4、方法很多，主要有下列几种：一种是按能源系统的范围划分，如世界能源系统、跨国能源系统、全国能源系统、地区能源系统、部门能源系统、工矿企业能源系统、车间(工序)能源系统等。按这样的层次结构，下一级系统是上一级能源系统的子系统。另一种是按能源的种类划分，如煤炭系统、石油系统、天然气系统、水能系统、核能系统、新能源系统等一次能源系统；电能系统、热能系统、焦炭系统、煤气系统、沼气系统等各种二次能源系统。第三种是按使用目的分类，可分为能源供应系统(如电供应系统、石油供应系统等)和能源利用系统(如钢铁厂能源系统等)。【能源的梯级利用】能源的梯级利用是指对能源在运动中所产生的能量逐级的加以合理利用。如热能在转
5、变为机械能的过程中，温度越高的热能，其潜在可利用的部分就越多。如处于 3000 度高温的热，可用来直接分解水蒸汽，制成氢气和氧气；或者利用磁流体发电，将一部分热能直接转变为电能。从这些装置里排出的热还有相当高的温度，可以继续利用。1000 多度的电热可用于燃气轮机发动机；从燃气轮机排出的热有五、六百度，可用于生产蒸汽，推动气轮机作功发电；气轮机排气的温度有一、二百度，也还可用于烘干加热，最后蒸汽冷却水的温度在 50 度以上，可以用于采暖和生活热水。能源的梯级利用，以节能的角度看，是应积极提倡的，但要考虑是否经济合理，因为梯级利用需要添置设备，投资和运行都要付出经济上的代价，并不是任何情况下梯级
6、利用都是切实可行的，要有选择的利用。【第一次能源危机】1973 年 10 月 6 日第 4 次中东战争爆发后，阿拉伯产油国决定实行禁运、减产和提价等措施，反击侵略者及其支持者，导致原油供应不足，油价从每桶 3 美元猛涨到 12 美元，使西方发达国家的经济受到很大冲击，引起世界能源问题，西方经济学家称之为“能源危机”。【第二次能源危机】1978 年秋，石油出口量占当时世界第二位的伊朗，国内政局动荡。国际市场石油供应再度出现紧张。1979 年初，伊朗采取抑制石油生产的政策，其他阿拉伯产油国也相继采取行动，与此同时，大幅度提高油价。1980 年秋，世界市场原油价格从每桶 13 美元猛增到 34 美元
7、。这就是人们所说的第二次能源危机。【地热能】地热能是地球内部的热量释放到地表的能量。地球内部包含着巨大的热量，地壳下是赤热的岩浆，地核的温度估计约 5000。地热资源在地下热储存的形式可分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型。 目前人类能够利用的地热资源主要是地下热水、地热蒸汽和热岩层，主要用于取暖、加热、医疗保健和发电。对于火山爆发、地震和其它地壳变动所释放的能量，目前人类还无法控制利用，因为科技水平还没有达到那样的程度。 【核能】核能亦称原子能，是由原子核的链式反应能产生的能量。它的来源有两种：一种是由重原子核裂变释放出来的；一种是由轻原子核聚变产生出来的。由于原子核内的中子、质子相
8、互结合非常紧密，所以核反应放出来的能量十分巨大，一般要比化学反应释放的能量大几百万倍。核能具有很多优点：1、体积小而能量大。1000 克标准煤燃烧时释放的能量仅为 29271 千焦耳(7000 千卡)而 1000 克核燃料铀 235 释放的能量相当于 2400 吨标准煤释放的能量。2、开采运输方便。一座 100 万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤 300?400 万吨，运这些煤需 2700 多列火车，还要运走大量的灰渣，而同功率的压水堆核电站，一年仅消耗铀 235 含量 3的低浓缩铀燃料 28 吨，只需6 辆卡车。3、核能地区适应性强，可建在缺能严重的地区，以缓解由于能源资源分布不均而带来的地区
9、性能源紧张状况。4、发展核能可以节省化石燃料，因为煤炭、石油都是宝贵的化工原料，应当用来生产化工产品。目前，核能已经成为世界上许多国家特别是发达国家一次能源的重要组成部分。核能是人类最有希望的能源之一。现在，地球上已经探明的铀、钍矿所包含的能量，是地球上的“化石燃料”总能量的几十倍，海水中所有氘的核能如果都释放出来，可以使地球上的人类使用十亿年之久。目前利用裂变释放核能已经实现多年，全世界已有数百座利用核裂变反应的原子能电站在运行。利用核聚变反应建立原子能电站正在积极研究之中，由于其原料氘存在于汪洋大海里，资源极为丰富，人类一旦掌握了受控热核反应这一新能源技术，必然引起能源构成的根本变化，到那
10、时，就不必担心能源的枯竭问题了。【氢能】氢气不是存在于自然界中，而是由水分解而成，因此需要一次能源为燃料的热能，原子能、太阳能等来制取。氢气同电一样，是属于二次能源，它的优点是其它能源所望尘莫及的。氢能贮藏丰富，在地球上，每 9 千克水中就有 1 千克氢，它不受任何自然规律的支配，来源稳定。它的热值高达 289000 千卡千克，为汽油的 24 倍。若用氢作燃料燃烧时，只产生水蒸汽而无任何有害气体，被誉为“无污染的能源”。氢能贮运方便，以氢的形式输送能源，则不会造成能源损失。目前氢有三种储存法：高压气态储存、低温液氢储存和化学储存。氢能主要用于：1、液态氢是上等的航天航空燃料；2、燃烧时能产生
11、1700的高温，可以用来切割金属；3、氢作为气轮机的燃料，既可发电，又可产生高压蒸汽供热；4、作为一般的内燃机燃料或城市民用煤气，更是优越无比。【沼气】沼气是以甲烷、二氧化碳为主，含有少量氮、氢、氧及硫化氢等多种成分的可燃气体，它是有机物质在一定湿度、温度、酸度和缺氧条件下，经过多种微生物的作用而产生的。每立方米沼气的热值为 21744?27599 焦耳(5200?6600 千卡)，平均热值为 22999 焦耳(5500 千卡)，比一般的煤气的热值还高。可用来制取沼气的原料很多，如人畜粪便、农作物秸杆、树叶杂草、水生植物、有机垃圾、有机废渣、废液等。因为它是最先被人们在沼泽和池塘中发现的，所以
12、标为沼气。沼气的用途很广，主要有以下两个方面：一是作燃料使用，如用于炉灶、锅炉、窑炉、内燃机动力和发电、沼气灯等设备；二是作为化工原料使用，如制造一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、合成氨、炭黑等。沼气是一种干净、廉价的优质能源，发展沼气是解决农村能源短缺的有效途径之一。【余热】余热是指工业企业生产过程中释放出来的可被利用的热能。可能回收的余热种类有：1.高温废气余热。如各种冶炼炉、加热炉、窑炉排出的烟气热等，有的高温烟气达到 500以上。2.高温产品及高温热渣液的物理热。如炽热焦炭熄焦和金属冶炼、金属轧制过程散发的热量。3.冷却介质余热。为工业窑炉等构件冷却水的余热、电站冷却水等。4.废
13、气废水余热。为燃气轮机排出的高温气体及各种高温炉体冷却水所带的物理热。5.化学反应余热。如合成氨生产中的交换气反应热，乙烯裂解产物急冷降温放出的热量等。6.可燃废液和放散的可燃气体。如纸浆墨液、转炉钢产生的一氧化碳等。余热利用是提高热效率、节约能源、减轻环境污染的一项重要措施。余热利用的方式很多，既可以直接利用也可以通过余热锅炉利用余热产生蒸汽，推动热机做机械功或发电；在很多情况下，余热还用来供暖或生产热水。【载能体】载能体是指工业上用作传热媒介的物质。例如，在加热过程中可利用载热体从热源收取热量、再传给被加热的物料。常用的载能体有蒸汽、空气、烟道气、水、水溶液、汞、熔盐、熔融金属和某些有机物
14、以及固态载能体如砂粒等。采用载热体加热或冷却可使操作安全、温度均匀并易于控制。【耗能工质】从能量利用角度观察耗能工质可分两类：一类通常称为能量形式来使用(如压缩空气、电石、乙炔等)，另一类通常不用作为能量使用的耗能工质(如自来水、深井水和氧气等)，也就是说，在生产经营活动中，需要消耗某些工作物质，而生产这些工作物质，需要消耗一定数量的能源，利用这些工作物质就等于间接地消耗能源。另一方面，这些工作物质的使用能够替代或减少其它能源的消耗，而这些工作物质不属于通常所指的能源之列。例如，工业用水、压缩空气、电石、乙炔、氧气等等。这些工作物质被称为耗能工质。【燃料电池】燃料电池是一种以天然气、煤、石脑油
15、等为燃料，利用电化学反应，将燃料的化学能直接转化为电能的一种直流发电装置。它将成为今后汽车动力的主流，因为燃料电池是将化学能直接转化为电能，以它作为汽车动力效率将比现有燃料利用率提高 50，噪音低 10 至 20 分贝，排放废气将减少99，符合人们保护环境的愿望和要求。因此燃料电池是极佳的汽车动力。【海洋“燃料”】在海洋里种植“燃料”，是美国科学家华法?A?威尔可博士于1974 年在不冻洋面上建立了第一个种植场，移植了一种大型海带巨藻幼苗。为使巨藻幼苗得到充足的阳光，又建造了一个大筏。海带可以作为代替天然气甲烷的潜在科学，将海带所贮藏的能变为甲烷气和乙醇气，用来驾驶汽车或飞机。【人造能源树】法
16、国亨特?维格纳发明了一种人造的可供暖的“能源树”，其原理是：在温差的情况下，热向冷转化。“树”本身中空叶子是聚酯制成的，中间也是空的，里面有一种水和防冻剂的混合液体。设在房子里的靠小量电能推动的热泵使液体温度始终比外界温度低 5 度，大片叶子从外界潮湿的气流中吸收热量，热泵又使液体温度重新下降，进行循环，由此获得的热量被输送到暖气片上或输入到热储存器里储存。这种“树”在德国已成批生产。【能源船】能源船是在沿海地区，利用海面蕴藏的波浪能、风能、潮汐能、盐度差能等巨大的海洋能，建造的风力发电船、海流发电船、波浪发电船等设施，为沿海孤岛及大电网无法仲进的偏僻地区提供电力、淡水等。【可燃冰】可燃冰是一
17、种与水结合在一起的固体化合物，可燃冰在低温高压下呈稳定状态，冰体溶化所释放的可燃气体相当原来气体的 100 倍，它在地球上的储藏量比煤、石油、天然气还多。【热力学第一定律】热力学第一定律是物理学基本定律，是能量守恒与转换定律在热过程中的应用，它说明热能可以从一物体转向另一物体，也可以与其它形式能量相互转换，但在传递和转换过程中能量的数不变，它的总量是守恒的。依据热力学第一定律，对任一热力系统可以建立如下能量平衡方程式：输入系统能量输出系统能量系统中储存能量的增量。【热力学第二定律】热力学第二定律是说明热过程方向性的定律。热力学第一定律说明了在热量传递与热功转换过程中的数量守恒关系，但是它不能说
18、明为什么热量总是从高温源流向低温源，能不能由低温源转向高温源；机械能可以百分之百地转换为热量，而热量无法全部转换为功。另外，具有 100温度的1 焦耳热量与具有 1000温度的 1 焦耳热量，其数量相等，但在转换为功量的比率方面则大不一样，所以温度高的，转变为功比例大，这说明热量有个“品位”问题，“品位”高低与热机的热效率密切相关。第一定律只能反映其现象，不能解释其原因。热力学第二定律是从能量的“品位”方面，揭示阐明能量传递过程和转换过程进行的方向、条件和限度的规律。热力学第二定律有多种表述方法：1、开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其它变化。2、克劳修斯表述：不
19、可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。3、用熵代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态。热力学第二定律的这一表述称为熵增加原理。【内能与焓】内能是热力学系统的热运动能量。广义地说，内能是由系统内部状况决定的能量。热力学系统由大量分子、原子组成，储存在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总和，即微观粒子的动能、势能、化学能、电离能、核能等等的总和。由于在系统经历的热力学过程中，物质的分子、原子、原子核的结构一般都不发生变化，即分子的内禀能量（原子间相互作用能、原子内的能量、核能）保持不变
20、，可作为常量扣除。因此，系统的内能通常是指全部分子的动能以及分子间相互作用势能之和，前者包括分子平动、转动、振动的动能（以及分子内原子振动的势能），后者是所有可能的分子对之间相互作用势能的总和。内能是态函数。真实气体的内能是温度和体积的函数。理想气体的分子间无相互作用，其内能只是温度的函数。焓定义为: H = U + pV H 为焓，U 为系统内能，p 为其压强，V 为体积。我们不能确定体系内能的绝对值，所以也不能确定焓的绝对值。焓是状态函数，具有能量的量纲，但没有确切的物理意义，它的定义是由上式所规定下来的，不能把它误解为是“体系中所含的热量”。我们所以要定义出一个新函数 H，完全是因为它在
21、实用中很重要，有了这个函数，在处理热化学的问题时就方便得多。在热工计算中，通常只需计算内能和焓的变化值。在各种物质性质计算图表中，人为规定某种状态下的内能和焓为零而给出其它各个状态下的内能和焓的数值。【熵】熵是德国物理学家克劳修斯在 1850 年创造的一个定义，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布的越均匀，熵越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀的分布，那么，这个系统的熵就达到了最大值。在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两个水库连接起来，并且其中一个水库的水平面高于另一个水库，那么，万有引力就会使一个水库的水平面降低，而另一个水面升高，直到两个水库的水面均等，而势能也取平为止。自然界中的一个普遍规律是：能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说，熵将随着时间而增大。熵增原理被称为热力学第二定律。
