浅谈节能中的热力学原理
2020-05-09
（天津渤海石化有限公司,天津300452）
搞好节能，挖掘节能潜力需要我们了解能量损失的原因及分布、科学用能的基本原则、节能的方案对策等。热力学就是研究能量及其转换的科学，节能的理论基础就是热力学。
能量是物质运动的量度，其常见的形式有热能、机械能、电能、磁能、光能。热力学第一定律和热力学第二定律向我们揭示了能量从一种形式转换至另一种形式的过程中，量和质两方面变化的客观规律[2]。热力学第一定律就是能量转换和守恒定律，既然能量的“量”是守恒的，我们要节能，就需要从“质”入手。热力学第二定律揭示了在能量转换中，能量“质”的属性要下降。例如，机械能转化为热能，仅通过摩擦就可以完全转化，而热能转化为机械能是不能完全转化的。这就表示了能量有“品质”的高低之分，在能量的转换过程中，能量的品质是在不断下降的。节能的最终目的就是尽量减少能量贬值的现象发生。本文将简单阐述节能相关的热力学理论作为今后节能工作的理论基础。
1 热力学第一定律和能量衡算
热力学第一定律指的是能量在转换和迁移过程中保持总量守恒，对于任何能量转换系统，可建立能量衡算式。系统储存的能量包括系统的动能和内能。
1.1 对于一个闭口系统，即与外界无物质交换的系统有：
式中:Q-系统得到的能量；ΔU-系统内能变化；W-系统与外界的功量交换。
对于微元过程，式（1-1）也可写作
1．2 对于一个开口系统，考虑对于微元过程，物质的流入和流出有：
式中：m-进入系统的物质；n-流出系统的物质；h-物质的焓。
在工程上，我们可以利用式1-3来计算系统被输入能量后状态参数的变化或达到相应变化需求的能量。
2 热力学第二定律和的概念
2.1 热力学第二定律的阐述
根据实际经验事实，热量的转换有些可以自发进行，有些则需要有条件的转换，并且只能部分转换，能量在使用过程中，虽然总量守恒，但是品质是在不断下降的。热力学第二定律就是用来阐述能量的转换方向、条件和限制的，其对节约能源、提高能源利用效率具有重要的指导意义。
热力学第二定律的表述有很多种，如：
开尔文表述：不可能从单一热源吸热，并把吸入的热量完全转化为功而不产生其它变化。
普朗克表述：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，二同时使一热源冷却[3]。
卡诺定理：在两个不同温度的恒温热元件工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。根据卡诺定理可以衡量出热量转化为做功的效率问题。最简单的可逆热机为卡诺循环，其热效率为：
此条定理不仅运用于压缩机、热泵的设计上，在实际日常装置运行中也能得到运用，例如在蒸汽透平系统中，透平的效率不仅取决于蒸汽透平本身的状态，更取决于动力蒸汽的温度和凝汽器的温度，通过降低凝汽器的温度，可有效提高蒸汽透平的运行效率，节约动力蒸汽的使用。
能量是否有用，取决于这种能量是否可迁移和转换，就这一点来看，可将能量分为三类：
第一类，有可完全转换能力的能量，如电能、机械能等。
第二类，有部分转换能力的能量，例如热能，焓等。
第三类，完全没有转换能力的能量，利于处于宏观系统温度下的热能。
式中：E收益-运行过程中收益的；E消耗-运行过程中所消耗的。
