能源概论。
哈尔滨工业大学燃烧工程研究所。
2023年2月。
第一章绪论
主要参考书目：
新能源发电》 西安交通大学陈听宽等编机械工业出版社，1982版
能源科学导论》 黄素逸编著北京，中国电力出版社，1999版
能源化学》 **陶占良编著化学工业出版社，2023年。
1-1 引言。
一、 能量和能源
1、能量。构成客观世界三大基础：物质、能量和信息。
宇宙间一切运动着的物体中都具有能量的存在和转化，如爱因斯坦著名质能转化方程，，表征了物质和能量之间的相互转化，信息描述变化和转化的关系。人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。能量—产生某种效果（变化）的过程必然伴随着能量消耗或转化，因此从物理学上，能量为“产生某种效果（变化）的能力”，同时是做功能力一种度量。
如，用f (n)的力推动物体沿某一方向移动s (m)的距离，则所做的功为w＝f·s(j)，就要消耗一定的等价于w的能量e才能产生上述效果。
而通过大量的实验已经证明，能量既不能消灭，也不能创生，只能从一种形式转化到另一种形式，即能量是守恒的—热力学第一定律。
到目前为止，人类所认识的能量有如下六种形式：
1) 机械能。它包括固体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。动能和势能统称为宏观机械能，是人类最早认识的能量。
2) 热能。构成物体的微观分子运动的动能表现为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的强度。
3) 电能。它是和电子流动与积累有关的一种能量，通常是由电池中化学能转化而来，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化为机械能，表明电做功向外输出机械能的能力。
4) 辐射能。物体以电磁波、光波形式发射的能量称为辐射能，如地球表面所接受的太阳能就是辐射能的一种。
5) 化学能。它是物质内部的原子核外发生化学变化引起的能量变化，按化学热力学定义，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。人类利用最普通的化学能产生于碳和氢两种元素与氧元素发生的燃烧反应，而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。
6) 核能。它是蕴藏在原子核内部的物质结构能，由微观粒子质量变化转化得到。释放巨大核能的核反应有两种，即核裂变反应和核聚变反应。
2、能源。而能源是比较集中的含能体或能量过程，凡是能够间接或者经过转换而获取某种形式能量的载能体自然资源，统称为能源。
在自然界里有一些自然资源本身就拥有某种形式能量，它们在一定条件下能够转换**们所需要的能量形式，这种自然资源就是能源，如煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等（一般称为一次能源）。但生产和生活过程中由于某种需要或便于运输和使用，常将一次能源经过一定加工转化，使之成为更符合使用要求的能量形式，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等（一般称为二次能源）。
3、能源利用的简单历史。
能源是人类从是物质资料生产的原动力，对于国民经济发展至关重要。从人类远古时代在地球上出现后，随着社会生活和经济生活的不断发展，能源应用形势和规模在不断变化。
在古代，火的使用使原始人能猎取到大动物，并能取暖御寒和驱逐野兽，从而扩大了原始人的活动范围。更重要的是，原始人在用火之后，变生食为熟食，这不但促进了原始人体质的改善，更加速了原始人的进化。人类漫长古代历史中，对木材、畜力、风力和水力等天然能源的直接利用占主要地位，这时利用的能源主要是生物质能、风能和太阳能等可再生能源。
煤炭这种化石燃料作为能源开始被利用，出现在很早以前，中国大约在宋代就开始利用煤炭作为燃料，但由于长期处于封建社会条件下，自给自足的封建经济生产模式占主导地位，能源利用水平和规模一直处于低水平、小规模，一直没有发展到大规模利用的水平。自产业革命开始西方资本主义国家为满足其大规模工业化发展的需要，对能源开始了大规模的利用和发展。在英国，2023年开始用焦炭炼铁，18世纪末，瓦特发明了蒸汽机，开始了蒸汽动力时代，大量以煤炭为能源的动力机械逐渐替代了小作坊式的手工业生产，2023年世界第一条铁路通车，蒸汽机车的出现使得铁路交通运输业迅速发展，煤炭与资本主义社会化大生产相结合，使世界能源结构发生了重大变革。
1860~2023年，世界煤产量由136 mt标煤增至1250 mt标煤，增加了8.2倍，2023年煤炭占世界商品能源构成的87 %，煤炭现在仍然是世界能源结构的重要组成部分。
2023年，美国的德雷克利用顿钻打出世界上第一口油井开始了石油钻探开发工作，由于其便于运输、储存和使用，这种液体燃料显示出比煤炭更具吸引力。1876 年，德国人奥托发明了火花点火四冲程内燃机。2023年，戴姆勒和本茨发明了汽油车，2023年，美国的弗罗希利奇制造出第一台拖拉机，2023年，莱特兄弟制成第一架飞机，进而形成了以内燃机技术为核心的内燃机动力时代，同时带动了机械制造业发展。
1920 年代出现了管线焊接技术，可以制造大直径有缝钢管，为石油、天然气的远距离输送创造了条件。石油和煤炭的竞争加速了世界工业化进程，特别是二次世界大战以后，美国、中东、北非相继发现了巨大的油气田，廉价石油大量开采，使以美国为首的西方资本主义国家的经济迅速膨胀起来。石油、天然气的广泛应用并有替代煤炭的趋势，同时与煤炭相比，石油、天然气热值高，加工、转换、运输、储存和利用非常方便，使用效率也高，于是西方发达国家很快从以煤为主要动力**转换到以石油和天然气为主要能源。
汽车、飞机、内燃机车和远洋客货轮的迅猛发展，不但极大地缩短了地区和国家之间的距离，也大大促进了世界经济的繁荣。近50多年来，世界上许多国家依靠石油和天然气为能源动力，创造了人类历史上空前的物质文明。
19世纪末开始，以电力为主导的能源结构大变革开始了，从法拉第发现了电磁感应并制出第一台电磁式发电机开始，人们认识到电和磁是统一的电磁现象，之后又发明了电动机和各种电器，建成了发电厂和电力输送系统，使电力作为二次能源取得了广泛应用。电力与其他形式的能源相比，可以方便而经济的远距离输送；可以与其他形式的能源直接相互转换，而且与机械能之间的转换效率高；电力更易于控制，可广泛用于信息传递和生产过程自动化，是现代社会存在的基础，人类因而进入了电气化时代。
产生电力的方法也是多样的，包括火力发电、水力发电，以及核能发电、太阳能发电及风能发电，人类在不断探索采用不同的能源形式来产生电力，满足社会不断提高的能源需求量，据统计，现在世界上大约3/4的能源在发电厂中转化为电力为人类使用。利用常规能源（如化石燃料煤炭、石油和天然气）来产生电力，其储量毕竟有限，在可预见的将来就可能用尽或者由于利用成本过高而无法使用，同是能源的利用过程与环境密切相关，为了满足社会发展日益增长的能源需求和可持续发展，我们必须寻找除化石燃料以外的新能源，解决人类面临的能源问题。
核能是20世纪出现的新能源，核科技的发展是人类科技发展史上的重大成就。核能的和平利用，对缓解能源紧张、减轻环境污染具有重要意义。我国在国家高技术研究发展计划（863计划）中，能源领域研制开发3种先进反应堆：
快中子堆、高温气冷堆、聚变-裂变混合堆。核裂变能现已为人类提供了总能耗的6%，将来利用轻原子核的聚变反应产生的核聚变能得到工业应用后，人类将从根本上解决能源紧张的问题。
综上所述，到现在为止，人类已能利用多种能源，可以说每一次能源利用范围和规模的扩大，都伴随着生产技术的重大变革，甚至引起整个社会生产方式的革命，是生产力的重大发展，直接推动了人类社会结构的变化和演变。在能源利用史上，火的使用、蒸汽机发明、电能和核能的应用对社会生产力的发展起了非常重大的推动作用，是人类能源利用史上的四个重大发展阶段。人类利用能源的历史表明，随着科学技术和社会生产力的发展，旧能源不断被新能源所代替，因而能源的更替是一种不可避免的趋势，在大力发展和利用常规能源的同时，必须充分注意探索和发展新能源。
二、 能源的几种分类
1、按照能源的**分类：
a) 来自地球以外天体的能量，主要指太阳辐射能。
包括：固化的太阳能，如化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩等，由一亿年前存积下来的有机物质形成）、草木燃料等；
太阳能转化成能量，如风能、水能、波浪能、海洋能；
直接的太阳辐射，如利用光电转化、光合作用等。
b) 来自地球内部蕴藏的能量。
包括：地球热能，如**能、火山热能、地下热水、地热蒸汽、热岩层；
原子核能，如蕴藏核能的元素，铀、钍、硼、氘等。
c) 来自地球和其他天体相互作用而产生的能量。
包括：地月相互吸引产生的潮汐能。
来自于太阳能、地球热能、原子核能和潮汐能，占地球全部能源的99.9%。
2、按照能源存在和产生形式分类
a）一次能源—以现有的形式存在于自然界中的能源。
可再生能源—不会随着它本身的转化或被利用而日益减少的能源，包括风能、水能、海流、海洋热能、潮汐能、草木燃料、直接太阳辐射、**能、火山活动、地下热能等。
非再生能源—随着人类的利用而逐渐减少的能源，包括矿石燃料（煤、石油、天然气、油页岩等），核燃料（铀、钍、硼、氘等）。
b）二次能源—需要依靠其他能源来制取或产生的能源，包括电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇等。他们使用方便，易于利用，是高品位能源。
3、按能源本身的性质分类
a) 含能体能源—能量以某种载体形式存储起来，而为人们利用。包括各种矿石燃料、核燃料、地下热能、高位水库、氢能等。
b) 过程性能源—能量在物质运动的过程中存在，无法直接大量存储，如需储存起来，须把它们转化为含能体能源中的能量。包括风能、水能、海流、**能、潮汐能以及电能等，转化方式如流水→高位水库，电能→蓄电池。
4、按能源利用的时间和普及程度分类
a) 常规能源—目前已经被普遍采用，应用技术比较成熟的如煤、石油、天然气、水力等。
b) 新能源—新近才利用的能源或正在开发研究的能源，如核裂变、核聚变、太阳能、地热能、海洋能、风能等。
三、评价能源品质的技术指标
能源的种类很多，各有优缺点，评价能源的品质的技术指标有下列几个方面：
1、能流密度。在一定空间或面积内从某种能源实际所能得出的能量和功率。按目前的技术水平，太阳能和风能的能流密度很小，大约只有100w/m2，如果能流密度很小，很难作为主力能源。
各种常规能源的能流密度都比较大，核燃料的能流密度最大。
2、存储量。不同能源的储存量对能源的利用有着重要影响，资源比较小的无法成为主力能源。我国煤炭、水力资源丰富，其它常规能源和新能源资源不少，是一个资源总量较丰富的国家，但被人口总数平均后却排在世界平均水平之下。
同时能源的地理分布对它的使用很有关系，我国的煤炭资源偏西北，水力资源偏西南，而工业区却在东部沿海，因此能源的地理分布对能源的开发和利用很不利。
3、存储可能性和供能连续性。能源不用时可以存储起来，需用时能立即产生能量—指存储可能性。供能的连续性，是指能否按需要和所需速度连续不断供给能量。
这对太阳能、风能等目前不易做到，而各种矿石燃料和核燃料则比较容易做到。
能源概论作业
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