基于能量与能源的思考

周小珠,杨雄珍

1.钦州学院 物理与电子工程系,广西 钦州 535000; 2.贺州学院 物理与电子工程系,广西 贺州 542800

基于能量与能源的思考

周小珠1,杨雄珍2

1.钦州学院 物理与电子工程系,广西 钦州 535000; 2.贺州学院 物理与电子工程系,广西 贺州 542800

通过对能量、能源概念及能量贬值原理的分析和思考,说明能量在转化过程中,总量(数量)守恒,但是“火用”不守恒;思考常规能源储量有限与国民经济发展对能源需求增加的矛盾;指出能量与能源是两个不同的概念、能量守恒与能源匮乏并不相矛盾,节约能源和开发新能源、可再生能源是解决能源匮乏的有效方法。

能量;能源;能量守恒;能源转化效率;能源匮乏

目前,能源和环境问题已成为全人类共同关注和急需解决的首要问题,中国在2010年的“两会”上积极讨论解决这些问题的可行方案,作出了中国走发展低碳经济道路的决定,以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济不仅节约能源,而且可以缓解当地的污染物并保护当地环境的完整性。在此之前,也有不少文献对能源安全、能源与节能技术进行了研究[1,3],可是许多人并未从根本上理解能量与能源问题。能量与能源似乎是人们都不陌生的两个概念,物质运动过程中发生能量转化时,遵守能量守恒定律,也是人们普遍接受的规律。文章通过解释“能量”与“能源”两个不同的概念,分析“能量守恒”与“能源匮乏”的深层含义,说明它们并非为一对矛盾体。通过分析说明能源匮乏的原因和节能的可行性、重要性以及开发可再生能源的必要性,这对增强节能减排的意识,理解节能优先、大力开发新能源的能源政策,具有积极的指导作用。

1 关于能量

1.1 能量的定义

能量是物理学中一个极其重要的概念,在中学物理课本里是这样定义的:物体具有作功的本领(能力),叫做能量[4,5]。它可以用做功的大小来表示,因此能和功的单位相同。广义地说,能量就是“产生某种效果(变化)的能力”[3]P1-123。除此之外,能量还有如文献[6]P37-40所列的一些定义。能量是个比较抽象的概念,我们可以从最常见的机械能和热能的定义及含义出发来进一步理解它。

动能和势能统称机械能。物体由于运动而具有的能,叫做动能;与物体相对位置有关的能,叫做势能。运动着的物体、由高处下落的物体和发生弹性形变的物体都能对外做功,因而具有机械能。热能指的是物体的内能(现行国标GB3102-93中统一称为“热力学能”)。内能[7]P237是系统内部所有微观粒子(例如分子、原子等)的微观的无序运动能以及总的相互作用能两者之和。物体温度越高,分子运动越激烈、无序程度越高,内能越大。例如:高温蒸汽能够推动活塞做功,消耗其热能。

可见,能量反映的是物体作功的本领(能力)。

1.2 能量转化与守恒定律

能量转换是能量重要的属性,也是能量利用最重要的环节。任何能量转换过程都必须遵守自然界的普遍规律—能量转换和守恒定律。这一定律指出:“自然界的一切物质都具有能量;能量既不能创造,也不能消灭,而只能从一种形式转换成另一种形式,从一个物体传递到另一个物体;在能量转换与传递过程中能量的总量恒定不变。”我们所熟悉的机械能守恒定律和热力学第一定律都是能量转化与守恒定律的具体表现形式。

如果一个系统内只有保守力做功,其它内力和一切外力都不作功,则系统内各物体的动能和势能可以相互转换,但机械能的总值不变,这个结论叫做机械能守恒定律。行星围绕太阳运动、卫星围绕行星运动及钟摆的等时性等,是机械能守恒的运动实例。如果有系统外或系统内其它非保守内力作功,则系统的机械能将与基他能发生相互转换,但总的能量将保持不变。

一般情况下,当系统状态变化时,做功与热传递往往是同时存在的,如果有一系统,外界对它的传递的热量为Q,系统从内能为E1的初始平衡状态改变到内能为E2的终末平衡状态,同时系统对外作功W,那么不论过程如何,总有

Q=(E2-E1)+W或dQ=dE+dW

这就是能量转化与守恒定律在热力学上的应用——热力学第一定律[8]P207。

无论是宏观世界还是微观世界,一切形式的能量转化都遵循能量转化与守恒定律。

1.3 能量的做功性和能量贬值原理

各种能量形式发生相互转换时虽然总能量守恒,但是“可用能”是不守恒的。从转换的角度,可以把能量分为“火用”和“火无”两部分。火用是这样一种能量,即在给定的环境条件下,它可以连续地完全转化为任何一种形式的能量,所以火用又称为有效能或可用能。火无则是一种不可以转换的能量,称之为无用能或无效能。由此对于一切形式的能量,都可以表示成

能量=火用+火无,公式表示为:E=EX+An。

利用能量来做功,是利用能量的基本手段和主要目的。各种能量转换为功的本领是不一样的,转换程度也不相同。通常按其转化程度可以分为无限转化(全部转化)能、有限转化(部分转化)能和非转化(废)能[9]P7。无限转化(全部转化)能,它可以完全转化为功,称为“高质能”。高质能全部都是“火用”,它的数量与质量是统一的,如电能、机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等。从本质上讲高质能是有序运动所具有的能量,而且各高质能理论上可以无限地相互转换。有限转化(部分转化)能,它只能部分转化为功,称为“低质能”,它的数量和质量是不统一的。如热能、流动体系的总能等。非转化(废)能,它受环境限制不能转化为功,称为“废能”。如与环境等温等压的气体就不能推动活塞运动而做功,此时处于环境条件下气体的内能、焓等就是废能。

热力学第二定律告诉了我们能量不仅有“量的多少”,还有“质的高低”之分。能量在传递与转换等过程中,由于多种不可逆因素的存在,总伴随着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相平衡而失去做功的本领,成为废能,这就是能量的贬值原理。它可表述为[10]P151-201:一切实际过程,总是朝着使总的能量品质下降的方向进行;只有在完全可逆的理想条件下总的能量品质保持不变;使孤立系统总的能质提高的过程是不可能发生的。

2 关于能源

2.1 能源的定义、分类及储量

关于能源的定义,目前约有20种[11]P4。其中,《日本大百科全书》说:“在各种生产活动中,我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功,可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体,称为能源”;我国的《能源百科全书》说:“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见,能源是一种呈多形式的,且可以相互转换的能量的源泉。确切而简单地说,能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

按能源的生成方式或获得方法划分,一般可分为一次能源和二次能源。一次能源是自然界存在的、可供直接利用的能源,如煤炭、石油、天燃气、风能、水能、太阳能等;二次能源是将自然界提供的直接能源加工以后所得的能源,如焦炭、煤气、电力、蒸气、沼气、酒精、汽油、柴油、重油、液化气等,它们使用方便,易于利用,是高品质能源[12]P4。一次能源中又可分为可再生能源和非再生能源。可再生能源是指不需要人工方法再生就能重复取得的能源,如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能、波浪能、海流能、盐差能等。非再生能源有两种含义:一重含义是消耗后在短期内不能再生的能源,如煤、油、天然气等;另一重含义是除非用人工方法再生,否则消耗后就不能再生的能源,如原子能[2]P1。

能源资源是指已探明或估计的自然赋存的富集能源,已探明或估计可经济开采的能源资源称为能源储量。2004年全球石油探明储量1.1886万亿桶,中国的探明石油储量占世界的1.4%;2004年底全球天燃气探明储量为179.53万亿立方米,采储比为66.7;2004年世界煤炭探明储量为9090.64亿吨,中国煤炭探明储量为世界探明储量的12.6%。2000年世界一次能源供应总量99.63亿吨石油当量,其中石油占34.9%,天燃气占21.1%,煤炭占23.5%,核电占6.8%,水电占2.3%,可燃性燃料占11.0%,其它能源占0.5%。可见石油、煤碳、天燃气仍是世界能源消费中的主要能源,它们都属于非再生能源的常规能源,且储量有限。我国自然资源总量排世界第七位,能源资源总量约4亿万吨标准煤,居世界第三位。但因我国人口众多,能源资源人均占有相对匮乏[1]P56-60。

2.2 能源的转化效率与能源匮乏

能量被利用的过程就是消耗能源的过程。一次能源通常要经过转化为二次能源才能被利用,任何能源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。不同的设备其能源转化的效率及转化为可利用能的效率是不相同的。机械能是工程中应用最多的能量,而热能则是大多数能量转换都必须经过的环节,据统计,全世界每年通过热能这个环节消耗的能量在总能量中约占70%,我国则更多[9]P7。而热能的应用大多需要通过热机转换环节,下面我们就通过卡诺循环来了解热机循环的效率。卡诺循环是所有循环上最简单的理想循环,它由两个定温过程和两个定熵过程组成的可逆循环,其热机简图、P-V图如图1、图2所示。卡诺循环的热效率为:

式中T1为高温热源的温度,℃;T2为低温热源的温度,℃;Q1为热机C从高温热源吸收的热量,J; Q2为热机向低温热源放出的热量,J;W0为卡诺循环的循环功,J。

1824年,卡诺从热机循环热效率的角度描述了热力学第二定律,指出热机必须工作在两个热源之间,热要从高温热源流向低温热源才能做功。热机做功的数值与什么工作物质无关,而仅仅决定于两个热源间的温度差。由(1)式可知,卡诺效率只与高温热源(热源)温度T1和低温热源(冷源)的温度T2有关,T1越高、T2越低,热效率就越高。可是T1→∞和T2→0都是不可能的,由热力学温标与摄氏温标的换算关系式T=273.15+t:,可知T→0,如果,则表示摄氏温度的t→-273.15℃,这是不可能达到的。

所以卡诺循环的热效率不可能达到100%。其他热机实际循环效率比卡诺循环效率低,即“在两个给定的热源间工作的任何热机的热效率不可能大于在相同热源间工作的可逆机的热效率”—卡诺定理。例如,采用奥托循环的现代汽油机实际热效率为25%～30%;采用狄塞尔循环的柴油机实际热效率为35%～50%;直接利用热能的室内供暧、空调等,这部分消耗的能量几乎占人类总耗能的1/4～1/3;生产工艺中直接利用热能的比例更大。而热能是低品质能源,在使用过程中不可避免导致能量质量的损失。

下图3是电能的传递路径和转换效率图[3]。由图中可知,在转换过程的每一个环节都存在着不同程度的能量(可用能—火用)损失。能源转化效率可用公式(2)计算

使用电能的多少标致着一个国家的国民经济综合实力的高低。电能是通过火力发电即热能这个环节,只有很小比例的电能可以不通过热能得到,如水利发电、太阳能电池、风力发电、潮汐能发电等。可想而知,用户端对电能的需求是刚性的,无法减少其使用量。相反随着人民生活水平的不断提高,对电能的需求量也在不断提高,一次能源的消耗量自然会几十倍(图3所示为七十倍)的增加。在这样的情况下,一次能源储量有限,也就是能源资源有限,这必然会导致能源的溃乏。

可见能源、能量在利用与转化过程中不可避免的发生能量贬值、转化效率不可能达到100%的情况。目前,能源的利用率和能量的转化效率偏低,效率提高的空间还很大,从各个环节中去提高转化效率、防止和和减少能量贬值发生是可行的。

3 结 语

综上所述,能量与能源是两个不同的概念,能量守恒与能源匮乏并不矛盾。自然界中一切能量形式的转换,必须遵循能量转换与守恒定律,即总的能量数量保持不变。而人类利用的不是能量的数量而是能量的质量(品质、品位),能量传递和转化过程发生能量贬值,即能量利用的过程中,能量的质量急剧降低,直至进入环境,最终成为废能。能源是获得能量的资源,随着能量的利用,资源被消耗。目前我国能源消费结构以煤为主,逐渐转向以石油和天燃气为主的过渡期,能源利用效率低。然而,随着全球经济的发展,人类对能源的需求量却越来越大,新能源、可再生能源未能取代常规能源、不可再生能源,这就使能源出现了相对溃乏的现象。2008年,由于受国际油价攀升及供量不足的影响,我国广东等多个省市地曾出现闹油荒的局面。节约跑源和开发新能源、可再生能源是解决能源溃乏的有效方法。

[1]周志华,罗一新,刘 勤.关于我国能源安全稳定供应的思考[J].中国安全科学学报,2005,15(11).

[2]李传统.新能源与可再生能源技术[M].南京:东南大学出版社,2005.

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[4][日]芝·茂雄·太田,弘·平濑志富.初中理化[M].吴念圣,古慧明译.上海:上海教育出片社,1981.

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[11]彭士禄,李盈安.寻找永恒的动力—著名科学家谈能源科学[M].桂林:广西师范大学出版社,1998.

[12]中关村国际环保产业促进中心.谁能驱动中国—世界能源危机和中国方略[M].北京:人民出版社,2006.

Ponder Based on Energy and Energy Resources

Zhou Xiao-zhu1,Yiang Xiong-zhen2
(Department of physics and electronic engineering,Qinzhou University,Guangxi Qinzhou 535000; Department of physics and electronic engineering,HeZhou University,China.)

Analysis and ponder through to energy,energy resources concept and energy depreciation principle,Explanation The energy may divide into may use can with the unavailable energy,Energy quantity conservation in conversion process,But,Energy quality nonconservation;Pondered that the conventional energy source reserves limitedly with the national economy development the contradiction which increases to the energy need,Pointed out that the energy and the energy are two different concepts,the conservation of energy and the energy deficient not contradictory,Saves the energy and develops the new energy,the renewable energy source solves the energy deficient efficacious device.

Energy;resources of Energy;Conservation of energy;transfer efficiency of Energy;The energy is deficient

TB131

A

1673-8861(2010)02-0126-04

2010-04-01

周小珠(1965-),女,广西龙州县人,壮族,钦州学院副教授。主要研究方向:基础物理、清洁能源利用与污染控制技术。

杨雄珍(1966-),女,广西贺州人,贺州学院副教授。主要研究方向:物理学。

广西壮族自治区科技厅自然科学基金项目(桂科自0899016);广西壮族自治区教育厅科研基金项目