能源科学概论

能源与环保材料专业课程能源科学概论主讲：汤庆国时间：2012.2教学大纲要求为适应国民经济的飞速发展，让学生充分了解能源科学知识。本课程主要讲授能源的概念，分析能源的利用效率与工程、材料的关系；讲授能源的形势及与国民经济的关系，综合分析各种能源的特点和原理。讲授能源的开发与节能及环境，新型能源与可持续发展的关系。教材及参考文献教材：黄素逸、高伟编著，能源概论，高等教育出版社，2004.8参考文献：1、曹源泉编.《能源工程管理》.浙江大学出版社.1992.2；2、陈学俊编.《能源工程概论》.机械工程出版社.1985.9；3、雷永泉主编.《新能源材料》.天津大学出版社2000.12；4、李业发.《能源工程导论》中国科学技术大学出版社.1999.12；丰富的网络资料能源在国民经济中的地位国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006━2020年)三、重点领域及其优先主题1．能源:1）工业节能；2）煤的清洁高效开发利用、液化及多联产；3）复杂地质油气资源勘探开发利用；4）可再生能源低成本规模化开发利用；5）超大规模输配电和电网安全保障。2．水和矿产资源：6）水资源优化配置与综合开发利用；7）综合节水；8）海水淡化；9）资源勘探增储；10）矿产资源高效开发利用；11）海洋资源高效开发利用；12）综合资源区划。3．环境：13）综合治污与废弃物循环利用；14）生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建；15）海洋生态与环境保护；16)全球环境变化监测与对策。6．交通运输业：34）交通运输基础设施建设与养护技术及装备；35）高速轨道交通系统；36）低能耗与新能源汽车；37）高效运输技术与装备；38）智能交通管理系统；39）交通运输安全与应急保障。五、前沿技术3．新材料技术：9）智能材料与结构技术；10）高温超导技术；11）高效能源材料技术。5．先进能源技术：15）氢能及燃料电池技术；16）分布式供能技术；17）快中子堆技术；18）磁约束核聚变。六、基础研究3．面向国家重大战略需求的基础研究（1）人类健康与疾病的生物学基础（2）农业生物遗传改良和农业可持续发展中的科学问题（3）人类活动对地球系统的影响机制（4）全球变化与区域响应（5）复杂系统、灾变形成及其预测控制（6）能源可持续发展中的关键科学问题（7）材料设计与制备的新原理与新方法我国科学技术要实现以下目标：三是能源开发、节能技术和清洁能源技术取得突破，促进能源结构优化，主要工业产品单位能耗指标达到或接近世界先进水平。四是在重点行业和重点城市建立循环经济的技术发展模式，为建设资源节约型和环境友好型社会提供科技支持。第一章能量与能源第一讲能量、能源及分类第一章能量与能源第一节：能量第二节：能源的分类与评价第三节：能源与人类文明第四节：能源资源生产与消费第五节：能源与环境第六节：能源的可持续发展第一章第一节：能量物质和能量是构成客观世界的基础。世界是由物质构成的，没有物质，世界便虚无飘渺；能量是物质的属性，是一切物质运动的动力和基础，没有能量，物质就静止呆滞。信息是客观事物和主观认识相结合的产物，没有信息，物质和能量既无从认识，也毫无用处。信息已成为构成客观世界的基础之一，即：物质、能量和信息共同构成客观世界的基础。1.1能量及其相互转化宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换。能量同物质一样，既不能被创造，也不能被消灭。只能在一定条件下，由一种形式转变成另一种形式，在转变过程中能量总量恒定不变。1.2能量的属性1922年，爱因斯坦在他的相对论中提出了能量与物质质量之间的关系，即：E=△mc2式中：E---物质释放的能量，J；△m---转变为能量的物质的质量，kg；c---光速，3×108m/s。上述公式表示的是一个可逆过程，其前提是质量和能量的总和在任何能量的转换过程中都必须保持不变。可见，一个很小质量的消失，就能够产生巨大的能量。例如：一个功率为600MW的燃煤发电厂每小时的煤耗约220t，年耗煤约2×106t；同样容量的核电站，一年仅耗1t燃料铀。但从能量转换的角度看，上述两个不同的发电设备中，实际转变为能量的燃料质量，每年仅为640g左右。因此，无论是化学反应还是核反应，在产生或释放能量的过程中，质量一定会相应减少。即反应物质量的一部分能够在某种类型的能量转换过程中，转换为另一种形式的能量。1.3能量的形式能量是一切物质运动、变化和相互作用的度量。能量利用：从实质上是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。能量利用的优劣，利用效率的高低与具体过程密切相关。而且利用能量的结果必然和能量系统的始末状态相联系，例如水力发电系统通过消耗一部分水能来获得电能，系统的始末状态(如水位、流量等)都发生了变化。人类所认识的六种能量形式机械能热能电能辐射能化学能核能1.3.1机械能机械能：是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称之为动能，后者称之为势能。动能是指系统(或物体)由于机械运动而具有的做功能力。如果质量为m的物体的运动速度为υ，则该物体的动能Ek可以用下式计算：Ek=1/2mυ2(1-2)机械能势能与物体的状态有关，除了受重力作用的物体因其位置高度不同而具有所谓重力势能外，还有弹性势能和表面能。重力势能Ep可以用下式计算:Ep=mgH(1-3)式中：m--物体的质量；g--重力加速度；H--高度。机械能弹性势能：即物体由于弹性变形而具有的做功本领；弹性势能Eτ的计算式为：Eτ=½kx2（1-4）式中:k--物体的劲度系数；x--物体的变形量。表面能：即不同类物质或同类物质不同相的分界面上，由于表面张力的存在而具有的作功能力。表面能Es可用下式计算:Es=σS（1-5）式中:σ--表面张力系数；S--相界面的面积。1.3.2热能热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的。构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。若系统的熵的变化为ds，通常热能Eq可表述成如下的形式：STEdq1.3.3电能电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。如果驱动电子流动的电动势为U，电流强度为I，则其电能Ee可表述为：Ee=UI(1-7)1.3.4辐射能辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能，从能量利用的角度而言，因热的原因而发出的辐射能(热辐射能)是最有意义的。物体的辐射能Er可由斯蒂芬-波尔兹曼定律计算：式中：ε—物体的发射率；c0—黑体辐射系数;T—物体的热力学温度(绝对温度)。40r100TcE1.3.5化学能化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。人类利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢，他们是煤炭、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。1.3.6核能核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能，在核裂变和核聚变反应中都存在物质的“质量亏损”。思考：常规能量之外的能量宇宙是怎样形成的，它为什么还在膨胀？这个巨大的推动力是什么？此外，自然界中还有没有其它形式的能量呢？有没有暗物质，暗能量？正物质、反物质是否存在？1.4能量的性质能量的性质主要有：状态性可加性传递性转换性做功性贬值性1.4.1状态性能量取决于物质所处的状态，状态不同，所具有的能量也不同(包括数量和质量)。对于热力系统，基本状态参数可以分为两类：一类与物质的量无关，不具有可加性，称为强度量；如温度、压力、速度、电势和化学势等；另一类与物质的量相关，具有可加性，称为广延量，如体积、动量、电荷量和物质的量等。当能量利用中常用工质的状态参数为温度T、压力p和体积V，其能量E的状态可表示为:E=f(p，T)或E=f(p，V)1.4.2可加性物质的量不同，所具有的能量也不同，即可相加；不同物质所具有的能量亦可相加，即一个体系所获得的总能量为输入该体系多种能量之和，故能量的可加性可表示为:E=El+E2+…+En=ΣEi1.4.3传递性能量可以从一个地方传递到另一个地方，也可以从一种物质传递到另一种物质。例如，对传热来说，能的传递性可表示为:Q=KAΔt(1-10)式中：Q——传递的热量；K——传热系数；A——传热面积；Δt——传热的平均温差。1.4.4转换性各种形式的能可以互相转换，其转换方式、转换数量、难易程度均不尽相同，即能量之间的转换效率是不一样的。研究能量转换方式和规律的科学是热力学，其核心的任务就是如何提高能量转换的效率。1.4.5做功性做功是能量利用的主要目的。通常功是指机械功。不同能量转换为机械功的本领不同，转换程度也不相同。按其转换程度可以把能分为无限制转换(全部转换)能、有限制转换(部分转换)能和不转换(废)能，或分别称为高质能、低质能和废能，显然这一分类也是以转换为功的程度来衡量的。能ε的做功性通常表示为：ε=EX—称为“yong”。EEx1.4.6贬值性根据热力学第二定律，能量不仅有“量的多少”，还有“质的高低”之分。能量在传递与转换过程中，由于多种不可逆因素的存在，总伴随着能量的损失，表现为能量质量和品位的降低，即做功能力的下降，直至达到与环境状态平衡而失去做功本领，成为废能，这就是能的质量贬值。贬值性最常见的有温差的传热与有摩擦的做功，就是两个典型的不可逆过程，在这两个不可逆过程中，能量都会贬值。能的贬值性，即能的质量损失(或称内部损失、不可逆损失)，其贬值程度可用参与能量交换的所有物体熵的变化(熵增)来反映。即能的贬值E0可表示为：E0=T0ΔS式中：T0——环境温度；ΔS——系统的熵增。1.5能量的转换通常所说的能量转换是指能量形态上的转换，如燃料的化学能通过燃烧转换成热能，热能通过热机再转换成机械能等。然而广义地说，能量转换还应当包括以下两项内容:能量在空间上的转移，即能量的传输。能量在时间上的转移，即能量的储存。能量的转换过程1.5.1能量守恒定律任何能量转换过程都必须遵守自然界的普遍规律——能量守恒定律，即：输入能量-输出能量=储存能量的变化在国民经济和日常生活中用得最多、最普遍的能量形式是热能、机械能和电能。它们都可以由其他形态的能量转换而来；它们之间也可以互相转换。显然，任何能量转换过程都需要一定的转换条件，并在一定的设备或系统中实现。1.6能量的传递能量传递过程的特点：能量传递是有条件的，即在有能量密度差的条件下，能量总是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地方传递；总是从集中到分散并逐步达到平衡。能量传递的推动力是所谓“势差”。如传热要有温差、导电要有电位差、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等。1.6.1能量传递过程的特点能量传递遵循一定的规律，即能量传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的阻力。即：传递速率=传递动力/传递阻力对导电，有I=U/R；对于传热，则有Q=Δt/Rt(其中：I为电流强度；R为电阻；Rt为热阻)。1.6.2能量传递的形式和途径能量的传递包括转移与转换两种形式。转移是某种形态的能量从一地转移到另一地，从一物转移到另一物；转换则是能量由一种形态变为另