绪论-能源利用与人类文明(XXXX)

热工基础绪论——热工-能源科学与人类文明能源与动力工程学院韩伟2016.6.29目录一、能源与人类文明二、能源变迁与人类科技创新三、能源的囧时代四、未来之问我们的时代--激动人心、生机勃勃•互联网、化学、核科学、宇宙学、新材料、引力波蓬勃发展，在手机上上网、查资料、看电影……人类对自然界的认识达到了前所未有的高度，可是我们向前发展所需的能源之路却很迷茫——我们正好处于一个依靠燃烧石油、天然气、煤炭的后化石能源时代与可再生能源可能占主流的未来时代，但可再生新能源的可靠性能否保证人类未来的需求，我们作为能量转化与利用的专业，我们需要做些什么？能源•能源：自然界中可以释放出某种形式的能量的自然资源。•能源的种类：太阳辐射能（化石燃料能源、生物质能源、风能、水能、海洋能）（电磁力）地能（地热能）-（万有引力）核能（原子能）——核能（强核力、弱核力）引力能（潮汐能）——万有引力一、能源与人类•能源存在于自然界并随着人类智力的发展而不断地被发现和开发利用。每一种新能源的发现和利用，又强有力地推动了人类文明的发展，因此能源的变迁史同人类社会文明发展史紧紧联系在一起的。——能源是人类社会发展的动力，它推动并困扰着人类文明继续向前发展。二、能源变迁与人类文明发展•能源革命：人类历史上关于能源的开发和利用方式上的重大创新——导致了人类文明的进步。•三次能源革命-科技创新的标志：钻木取火蒸汽机的发明核能的利用钻木取火（化学能—热能）•钻木取火是人类在能量利用方面最早的一次科技创新。从利用自然火到利用人工火的转变，导致了以柴薪作为主要能源的时代的到来，这就是人类的第一次能源革命。火的发现和利用是人类有意识利用能源的开始，也是人类文明的起源。人类祖先原始人的生活“刀耕火种”原始农业采集野生果实“刀耕火种”原始农业原始冶金金属时代石器时代铜器时代——铁器时代蒸汽机的发明（化学能—热能-机械能）•“木材危机”：随着文明发展，生产力的提高，人口增多，对木材需求出现了供不应求的局面。欧洲曾是世界工业最发达的地区。早在16世纪文艺复兴时期，由于农业、手工业、商业、远航贸易的发展增加了木材的砍伐量，引起森林滥恳滥伐。到16世纪后期，在英国在整个欧洲，作为主要热能来源的木材奇缺，供不应求，价格暴涨。16世纪发生于欧洲的“木材危机”迫使人们用煤代替木材作为主要能源。为什么没有将煤炭的开发利用作为第二次能源革命的标识？蒸汽机与第一次工业革命（化学能—热能-机械能）伟大！1784年，瓦特的蒸汽机已装上曲轴、飞轮，活塞可以靠从两边进来的蒸汽连续推动，再不用人力去调节活门，世界上第一台真正的蒸汽机诞生了。梅多可利发明的机车模型第一次工业革命（社会化大生产）交通运输富尔顿“克莱蒙特”号在哈得孙河上史蒂芬孙的蒸汽机车第一次工业革命（社会化大生产）采矿纺织第一次工业革命（学科大发展）•牛顿经典力学—万有引力、三大定律•热力学与动力学—能量守恒与转换定律•机械工程：蒸汽机、纺织机、采矿机械、机车、汽船……•流体力学：欧拉方程、伯努利方程、纳维-斯托克斯方程•控制工程：蒸汽机转速和气门的反馈控制（飞轮、离心摆）•电磁学：法拉第电磁感应、麦克斯韦电磁方程•生物学：施莱登和施旺的细胞学、达尔文进化论•化学：门捷列夫化学元素周期率•原子科学：伦琴射线第二次工业革命核能的可控利用—第三能源革命核能利用的理论基础：质能方程—揭开“上帝”造物密码的一角。薛定谔量子波动方程——上帝掌控微观世界运动运动规律的一角。牛顿万有引力方程—揭开上帝掌控宏观世界运动规律的一角。核能利用的原理——核裂变与核聚变核能利用的过程——核电与核爆能源的利用与热科学•热动力（我们的专业和学科）化学能——热能——机械能——电能——其它•电磁力（电磁力推进）•水力、风力（重力-万有引力）能源与动力工程专业（原热能与动力工程）•四个专业及学科方向：•（1）以热能转换与利用系统为主的热能动力工程及控制方向(含能源环境工程、新能源开发和研究方向)——工程热物理过程及其自动控制•（2）以内燃机及其驱动系统为主的热力发动机及汽车工程，船舶动力方向——动力机械及其自动化•（3）以电能转换为机械功为主的流体机械与制冷低温工程方向——流体机械及其自动控制；•（4）以机械功转换为电能为主的火力火电和水利水电动力工程方向——电厂热能工程及其自动化能源的囧时代•我们目前处于一个什么形式的能源供给时代？石油等化石能源危机新能源（风、光、生物质）能量密度低、规模化不足、技术不成熟（海洋能）核能风险依然较大、废料处理很难能源之“囧”•何来之囧–全球人口的急剧膨胀，人类的能源消费大幅度增长。–全球化石能源探明储量可支撑人类发展的时间期限将至世界上的石油、天然气和煤等生物化石能源将在几十年至200年内逐渐耗尽。能源的囧时代•石油危机“在总的石油贮量中，10500亿桶石油业已消耗，另外7000亿桶是已发现的探明储量。还有3500亿至7500亿桶石油有待发现，到2059年当世界上第一口油井开钻180周年之际，世界石油大概所剩无几了。”石油开采的时间不过150年历史，使我们已经感到“石油枯竭”的威胁，我们今天所说的“能源危机”实际上是“石油危机”。能源的囧时代•生态破坏能源的囧时代•核泄漏、污染切尔诺贝利核泄漏日本福岛核泄漏新能源的探索新能源的探索—风电新能源的探索—光电、光热新能源的探索—地热地热新能源的探索—生物质能新能源的探索—海洋潮汐、波浪、洋流能新能源的探索—海洋温差、盐差能可从海洋温差中获取能量的发电厂计划建在中国一个度假胜地的海岸附近。这个10兆瓦的海洋热能转换工厂将成为世界最大的海洋热能厂，可为全球类似的热能厂铺平道路，有助于满足全球对可靠可再生能源日益增加的需求。这个工厂计划由洛克希德-马丁公司和中国华彬集团共同建造。新能源之“囧”•风电太阳能发电的不稳定（能量输出的不连续性）•——弃风、弃电新能源之“囧”•风电太阳能发电的规模性（能量输出的密度低）——生产转化占地面积偏大•生产转化元件代价高——输入输出差值小、污染大•工作介质及其能量不易直接储存，转化后的存储技术难度目前尚未克服。新能源之“囧”的破解之道•二次转化：抽水蓄能、压气蓄能、制氢全球最大容量风电制氢工程—沽源风电制氢项目•多能互补•提高转化效率新能源之“囧”的破解之道人类能源的未来之问•第一，必须足够丰富，可以保证长期使用；•第二，必须足够便宜，可以保证多数人用得起；•第三，相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；•第四，必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境。人类未来能源必须满足的条件：㶲--形成能量的势差必须足够大，引力场、电磁力、弱核力、强核力.人类未来能源的希望•核爆聚变电站•海洋能——•天然气水合物（可燃冰）高能量密度的未来能源-核聚变“ARC”核聚变反应堆托卡马克式反应堆是所有最有前途的核聚变反应堆之一。托卡马克式系统是一种像油炸圈饼样的环形真空室。燃料在其中被加热到1.5亿摄氏度以上，形成炽热等离子体。然后利用超强磁场驱动等离子体离开安全壳内壁。在安全壳的周围有一圈超导线圈，负责产生超强磁场。然而，到目前为止，这种线圈是所有核聚变反应堆设计方案中的一大技术瓶颈“ARC”核聚变反应堆利用氘和氚两种氢原子。科学家首先将氘和氚注入到反应堆的安全壳内，然后为其提高能量使得电子脱离宿主原子，形成等离子体，这一过程会释放巨大的能量。科学家表示，如果这一技术能够得以完善，它将能够提供无穷无尽的能量，从此彻底解决全球能源危机。中国可控核聚变EAST实验装置已领先世界（合肥）中国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和中国、美国、俄罗斯等七方共同启动的国际热核聚变实验堆ITER都是旨在创造一个“太阳”，给人类带来源源不断的清洁能源，因此也俗称“人造太阳”。EAST既定科学目标是实现1亿度1000秒的等离子体放电。目前中国“人造太阳”EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电，标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。高能量密度的未来能源-核聚变人类能源的未来之路•人类对世界的认识高度决定了人类对自然界能源的利用形式和种类人类能源的发展之路•火的发现——热能——木材——薪材•人类的活动范围逐渐从地表延伸到地下，发现了丰富的煤炭资源——可燃——热能——蒸汽机——工业文明•发现了丰富的石油、天然气资源——可燃——热能、化学能——内燃机——工业文明大发展•通过蒸汽机和内燃机产生的动力难以在较大的空间范围内随意传递，只能围绕一台动力机械进行小范围、小规模的生产。电磁感应定律的发现，为随后发电机、电动机，以及变压器、电站、低压电网和超高压电网等一系列技术装备的发明及广泛应用提供了条件，开启了第二次工业革命，迎来了电磁动力新时代。•两次工业革命的能源基础——化石能源的发现和利用，满足了工业文明对能源的巨大需求，但其储量有限，不可再生，终究会枯竭，同时也催生了环境破坏、气候变化、安全事故等一系列严重问题。量子力学的发展促使核能被人类发现………能源变迁与人类文明发展•一是从被动到主动。我们对能源的利用，最早是以“靠天吃饭”的方式被动获取。即采集植物和狩猎动物以获取它们本身含有的能量。后来，通过认识和利用火，包括引用自然火种和钻木取火，人们对能源的利用从被动逐渐转为有意识的主动。后来，随着技术的不断进步，能源利用逐渐主动转移到煤炭和石油，乃至之后的核能、太阳能、风能、水能等新的能源形式上。•二是从发现到发明。人类从用火山和闪电留下来的火种取火，到掌握钻木取火历经的时间数以万年。而从1820年荷兰人汉斯·奥斯特发现了电流磁效应，到法拉第用磁棒来回进出金属线圈制造电力仅仅历经了11年。偶然的发现是小概率事件，需要等待漫长的时间，同时只能发现比较单一的规律。试验发明是一个复杂、系统的过程，同时又有更加明确的目的性和研究方向，大大缩短了发明的时间。能源变迁与人类文明发展能源变迁与人类文明发展•三是从“肤浅”到深远。在采猎文明和农耕文明时期，我们就地取材，在视线所及范围内行动。在工业文明时期，能源利用的目光穿透地层，地下的煤炭、石油和天然气，将来外星球开采，都成为文明前行的重要动力来源。随着技术的进步，能源形式开始从有形转为无形，电能开始得到普遍使用，核能、太阳能、可燃冰和地热能等开始进入我们的视野。•总之，我们对能源的利用是从小聪明逐步过渡到大智慧的过程。在农耕文明时期，人们利用畜力靠马车等出行。进入工业文明时期，蒸汽机、内燃机、发电机及电动机让能源变得更加丰富和强劲。后来，混合能源又开始被使用，再后来，能源形式进一步更新，燃料电池、混合动力、氢能源动力和太阳能等发展迅猛。随着文明的演进，生产技术水平的提升，主流能源形式中所蕴含的人类智慧元素比重越来越大。能源与动力学科和专业的责任——任重而道远•发现未来可长期供应的能源传承接力维系发现化石能源之光即将熄灭之际能源与动力学科和专业的责任——任重而道远•发明设计未来能源能量转化的流体机械•当前——提高能量转化效率。发现2019/8/1250热能利用的基本方式（1）热利用：烧饭、采暖、烘干、熔炼等；（2）动力利用：通过热机将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有1％2％，现代燃气轮机装置的热效率大约只有37％42％，蒸汽电站的热效率也只有40％左右。因此，如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的热效率，是十分重要的课题。2019/8/1251热工基础的研究内容热工基础（热工理论基础）工程热力学篇传热学篇主要研究内容：热工基础主要研究热能利用的基本规律以及热能利用过程及自然界所有热现象中热量传递的基本规律。2019/8/12521.工程热力学的研究内容与研究方法（1）研究内容工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技术措施。（举例）（2）研究方法工程热力学采用经典热力学的宏观研究方法，还普遍采用抽象、概括、理想