基于能量與能源的思考

周小珠,楊雄珍

1.欽州學(xué)院 物理與電子工程系,廣西 欽州 535000; 2.賀州學(xué)院 物理與電子工程系,廣西 賀州 542800

基于能量與能源的思考

周小珠1,楊雄珍2

1.欽州學(xué)院 物理與電子工程系,廣西 欽州 535000; 2.賀州學(xué)院 物理與電子工程系,廣西 賀州 542800

通過對能量、能源概念及能量貶值原理的分析和思考,說明能量在轉(zhuǎn)化過程中,總量(數(shù)量)守恒,但是“火用”不守恒;思考常規(guī)能源儲量有限與國民經(jīng)濟發(fā)展對能源需求增加的矛盾;指出能量與能源是兩個不同的概念、能量守恒與能源匱乏并不相矛盾,節(jié)約能源和開發(fā)新能源、可再生能源是解決能源匱乏的有效方法。

能量;能源;能量守恒;能源轉(zhuǎn)化效率;能源匱乏

目前,能源和環(huán)境問題已成為全人類共同關(guān)注和急需解決的首要問題,中國在2010年的“兩會”上積極討論解決這些問題的可行方案,作出了中國走發(fā)展低碳經(jīng)濟道路的決定,以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟不僅節(jié)約能源,而且可以緩解當(dāng)?shù)氐奈廴疚锊⒈Ｗo當(dāng)?shù)丨h(huán)境的完整性。在此之前,也有不少文獻對能源安全、能源與節(jié)能技術(shù)進行了研究[1,3],可是許多人并未從根本上理解能量與能源問題。能量與能源似乎是人們都不陌生的兩個概念,物質(zhì)運動過程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)化時,遵守能量守恒定律,也是人們普遍接受的規(guī)律。文章通過解釋“能量”與“能源”兩個不同的概念,分析“能量守恒”與“能源匱乏”的深層含義,說明它們并非為一對矛盾體。通過分析說明能源匱乏的原因和節(jié)能的可行性、重要性以及開發(fā)可再生能源的必要性,這對增強節(jié)能減排的意識,理解節(jié)能優(yōu)先、大力開發(fā)新能源的能源政策,具有積極的指導(dǎo)作用。

1 關(guān)于能量

1.1 能量的定義

能量是物理學(xué)中一個極其重要的概念,在中學(xué)物理課本里是這樣定義的:物體具有作功的本領(lǐng)(能力),叫做能量[4,5]。它可以用做功的大小來表示,因此能和功的單位相同。廣義地說,能量就是“產(chǎn)生某種效果(變化)的能力”[3]P1-123。除此之外,能量還有如文獻[6]P37-40所列的一些定義。能量是個比較抽象的概念,我們可以從最常見的機械能和熱能的定義及含義出發(fā)來進一步理解它。

動能和勢能統(tǒng)稱機械能。物體由于運動而具有的能,叫做動能;與物體相對位置有關(guān)的能,叫做勢能。運動著的物體、由高處下落的物體和發(fā)生彈性形變的物體都能對外做功,因而具有機械能。熱能指的是物體的內(nèi)能(現(xiàn)行國標(biāo)GB3102-93中統(tǒng)一稱為“熱力學(xué)能”)。內(nèi)能[7]P237是系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子(例如分子、原子等)的微觀的無序運動能以及總的相互作用能兩者之和。物體溫度越高,分子運動越激烈、無序程度越高,內(nèi)能越大。例如:高溫蒸汽能夠推動活塞做功,消耗其熱能。

可見,能量反映的是物體作功的本領(lǐng)(能力)。

1.2 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律

能量轉(zhuǎn)換是能量重要的屬性,也是能量利用最重要的環(huán)節(jié)。任何能量轉(zhuǎn)換過程都必須遵守自然界的普遍規(guī)律—能量轉(zhuǎn)換和守恒定律。這一定律指出:“自然界的一切物質(zhì)都具有能量;能量既不能創(chuàng)造,也不能消滅,而只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式,從一個物體傳遞到另一個物體;在能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程中能量的總量恒定不變?！蔽覀兯煜さ臋C械能守恒定律和熱力學(xué)第一定律都是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的具體表現(xiàn)形式。

如果一個系統(tǒng)內(nèi)只有保守力做功,其它內(nèi)力和一切外力都不作功,則系統(tǒng)內(nèi)各物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)換,但機械能的總值不變,這個結(jié)論叫做機械能守恒定律。行星圍繞太陽運動、衛(wèi)星圍繞行星運動及鐘擺的等時性等,是機械能守恒的運動實例。如果有系統(tǒng)外或系統(tǒng)內(nèi)其它非保守內(nèi)力作功,則系統(tǒng)的機械能將與基他能發(fā)生相互轉(zhuǎn)換,但總的能量將保持不變。

一般情況下,當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)變化時,做功與熱傳遞往往是同時存在的,如果有一系統(tǒng),外界對它的傳遞的熱量為Q,系統(tǒng)從內(nèi)能為E1的初始平衡狀態(tài)改變到內(nèi)能為E2的終末平衡狀態(tài),同時系統(tǒng)對外作功W,那么不論過程如何,總有

Q=(E2-E1)+W或dQ=dE+dW

這就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用——熱力學(xué)第一定律[8]P207。

無論是宏觀世界還是微觀世界,一切形式的能量轉(zhuǎn)化都遵循能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。

1.3 能量的做功性和能量貶值原理

各種能量形式發(fā)生相互轉(zhuǎn)換時雖然總能量守恒,但是“可用能”是不守恒的。從轉(zhuǎn)換的角度,可以把能量分為“火用”和“火無”兩部分?；鹩檬沁@樣一種能量,即在給定的環(huán)境條件下,它可以連續(xù)地完全轉(zhuǎn)化為任何一種形式的能量,所以火用又稱為有效能或可用能。火無則是一種不可以轉(zhuǎn)換的能量,稱之為無用能或無效能。由此對于一切形式的能量,都可以表示成

能量=火用+火無,公式表示為:E=EX+An。

利用能量來做功,是利用能量的基本手段和主要目的。各種能量轉(zhuǎn)換為功的本領(lǐng)是不一樣的,轉(zhuǎn)換程度也不相同。通常按其轉(zhuǎn)化程度可以分為無限轉(zhuǎn)化(全部轉(zhuǎn)化)能、有限轉(zhuǎn)化(部分轉(zhuǎn)化)能和非轉(zhuǎn)化(廢)能[9]P7。無限轉(zhuǎn)化(全部轉(zhuǎn)化)能,它可以完全轉(zhuǎn)化為功,稱為“高質(zhì)能”。高質(zhì)能全部都是“火用”,它的數(shù)量與質(zhì)量是統(tǒng)一的,如電能、機械能、水能、風(fēng)能、燃料儲存的化學(xué)能等。從本質(zhì)上講高質(zhì)能是有序運動所具有的能量,而且各高質(zhì)能理論上可以無限地相互轉(zhuǎn)換。有限轉(zhuǎn)化(部分轉(zhuǎn)化)能,它只能部分轉(zhuǎn)化為功,稱為“低質(zhì)能”,它的數(shù)量和質(zhì)量是不統(tǒng)一的。如熱能、流動體系的總能等。非轉(zhuǎn)化(廢)能,它受環(huán)境限制不能轉(zhuǎn)化為功,稱為“廢能”。如與環(huán)境等溫等壓的氣體就不能推動活塞運動而做功,此時處于環(huán)境條件下氣體的內(nèi)能、焓等就是廢能。

熱力學(xué)第二定律告訴了我們能量不僅有“量的多少”,還有“質(zhì)的高低”之分。能量在傳遞與轉(zhuǎn)換等過程中,由于多種不可逆因素的存在,總伴隨著能量質(zhì)量和品位的降低,即做功能力的下降,直至達到與環(huán)境狀態(tài)相平衡而失去做功的本領(lǐng),成為廢能,這就是能量的貶值原理。它可表述為[10]P151-201:一切實際過程,總是朝著使總的能量品質(zhì)下降的方向進行;只有在完全可逆的理想條件下總的能量品質(zhì)保持不變;使孤立系統(tǒng)總的能質(zhì)提高的過程是不可能發(fā)生的。

2 關(guān)于能源

2.1 能源的定義、分類及儲量

關(guān)于能源的定義,目前約有20種[11]P4。其中,《日本大百科全書》說:“在各種生產(chǎn)活動中,我們利用熱能、機械能、光能、電能等來作功,可利用來作為這些能量源泉的自然界中的各種載體,稱為能源”;我國的《能源百科全書》說:“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源。”可見,能源是一種呈多形式的,且可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。確切而簡單地說,能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。

按能源的生成方式或獲得方法劃分,一般可分為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、天燃氣、風(fēng)能、水能、太陽能等;二次能源是將自然界提供的直接能源加工以后所得的能源,如焦炭、煤氣、電力、蒸氣、沼氣、酒精、汽油、柴油、重油、液化氣等,它們使用方便,易于利用,是高品質(zhì)能源[12]P4。一次能源中又可分為可再生能源和非再生能源?？稍偕茉词侵覆恍枰斯し椒ㄔ偕湍苤貜?fù)取得的能源,如太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、潮汐能、波浪能、海流能、鹽差能等。非再生能源有兩種含義:一重含義是消耗后在短期內(nèi)不能再生的能源,如煤、油、天然氣等;另一重含義是除非用人工方法再生,否則消耗后就不能再生的能源,如原子能[2]P1。

能源資源是指已探明或估計的自然賦存的富集能源,已探明或估計可經(jīng)濟開采的能源資源稱為能源儲量。2004年全球石油探明儲量1.1886萬億桶,中國的探明石油儲量占世界的1.4%;2004年底全球天燃氣探明儲量為179.53萬億立方米,采儲比為66.7;2004年世界煤炭探明儲量為9090.64億噸,中國煤炭探明儲量為世界探明儲量的12.6%。2000年世界一次能源供應(yīng)總量99.63億噸石油當(dāng)量,其中石油占34.9%,天燃氣占21.1%,煤炭占23.5%,核電占6.8%,水電占2.3%,可燃性燃料占11.0%,其它能源占0.5%?？梢娛?、煤碳、天燃氣仍是世界能源消費中的主要能源,它們都屬于非再生能源的常規(guī)能源,且儲量有限。我國自然資源總量排世界第七位,能源資源總量約4億萬噸標(biāo)準煤,居世界第三位。但因我國人口眾多,能源資源人均占有相對匱乏[1]P56-60。

2.2 能源的轉(zhuǎn)化效率與能源匱乏

能量被利用的過程就是消耗能源的過程。一次能源通常要經(jīng)過轉(zhuǎn)化為二次能源才能被利用,任何能源轉(zhuǎn)換過程都需要一定的轉(zhuǎn)換條件,并在一定的設(shè)備或系統(tǒng)中實現(xiàn)。不同的設(shè)備其能源轉(zhuǎn)化的效率及轉(zhuǎn)化為可利用能的效率是不相同的。機械能是工程中應(yīng)用最多的能量,而熱能則是大多數(shù)能量轉(zhuǎn)換都必須經(jīng)過的環(huán)節(jié),據(jù)統(tǒng)計,全世界每年通過熱能這個環(huán)節(jié)消耗的能量在總能量中約占70%,我國則更多[9]P7。而熱能的應(yīng)用大多需要通過熱機轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),下面我們就通過卡諾循環(huán)來了解熱機循環(huán)的效率。卡諾循環(huán)是所有循環(huán)上最簡單的理想循環(huán),它由兩個定溫過程和兩個定熵過程組成的可逆循環(huán),其熱機簡圖、P-V圖如圖1、圖2所示?？ㄖZ循環(huán)的熱效率為:

式中T1為高溫?zé)嵩吹臏囟?℃;T2為低溫?zé)嵩吹臏囟?℃;Q1為熱機C從高溫?zé)嵩次盏臒崃?J; Q2為熱機向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?J;W0為卡諾循環(huán)的循環(huán)功,J。

1824年,卡諾從熱機循環(huán)熱效率的角度描述了熱力學(xué)第二定律,指出熱機必須工作在兩個熱源之間,熱要從高溫?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩床拍茏龉?。熱機做功的數(shù)值與什么工作物質(zhì)無關(guān),而僅僅決定于兩個熱源間的溫度差。由(1)式可知,卡諾效率只與高溫?zé)嵩?熱源)溫度T1和低溫?zé)嵩?冷源)的溫度T2有關(guān),T1越高、T2越低,熱效率就越高?？墒荰1→∞和T2→0都是不可能的,由熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的換算關(guān)系式T=273.15+t:,可知T→0,如果,則表示攝氏溫度的t→-273.15℃,這是不可能達到的。

所以卡諾循環(huán)的熱效率不可能達到100%。其他熱機實際循環(huán)效率比卡諾循環(huán)效率低,即“在兩個給定的熱源間工作的任何熱機的熱效率不可能大于在相同熱源間工作的可逆機的熱效率”—卡諾定理。例如,采用奧托循環(huán)的現(xiàn)代汽油機實際熱效率為25%～30%;采用狄塞爾循環(huán)的柴油機實際熱效率為35%～50%;直接利用熱能的室內(nèi)供曖、空調(diào)等,這部分消耗的能量幾乎占人類總耗能的1/4～1/3;生產(chǎn)工藝中直接利用熱能的比例更大。而熱能是低品質(zhì)能源,在使用過程中不可避免導(dǎo)致能量質(zhì)量的損失。

下圖3是電能的傳遞路徑和轉(zhuǎn)換效率圖[3]。由圖中可知,在轉(zhuǎn)換過程的每一個環(huán)節(jié)都存在著不同程度的能量(可用能—火用)損失。能源轉(zhuǎn)化效率可用公式(2)計算

使用電能的多少標(biāo)致著一個國家的國民經(jīng)濟綜合實力的高低。電能是通過火力發(fā)電即熱能這個環(huán)節(jié),只有很小比例的電能可以不通過熱能得到,如水利發(fā)電、太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電、潮汐能發(fā)電等?？上攵?用戶端對電能的需求是剛性的,無法減少其使用量。相反隨著人民生活水平的不斷提高,對電能的需求量也在不斷提高,一次能源的消耗量自然會幾十倍(圖3所示為七十倍)的增加。在這樣的情況下,一次能源儲量有限,也就是能源資源有限,這必然會導(dǎo)致能源的潰乏。

可見能源、能量在利用與轉(zhuǎn)化過程中不可避免的發(fā)生能量貶值、轉(zhuǎn)化效率不可能達到100%的情況。目前,能源的利用率和能量的轉(zhuǎn)化效率偏低,效率提高的空間還很大,從各個環(huán)節(jié)中去提高轉(zhuǎn)化效率、防止和和減少能量貶值發(fā)生是可行的。

3 結(jié) 語

綜上所述,能量與能源是兩個不同的概念,能量守恒與能源匱乏并不矛盾。自然界中一切能量形式的轉(zhuǎn)換,必須遵循能量轉(zhuǎn)換與守恒定律,即總的能量數(shù)量保持不變。而人類利用的不是能量的數(shù)量而是能量的質(zhì)量(品質(zhì)、品位),能量傳遞和轉(zhuǎn)化過程發(fā)生能量貶值,即能量利用的過程中,能量的質(zhì)量急劇降低,直至進入環(huán)境,最終成為廢能。能源是獲得能量的資源,隨著能量的利用,資源被消耗。目前我國能源消費結(jié)構(gòu)以煤為主,逐漸轉(zhuǎn)向以石油和天燃氣為主的過渡期,能源利用效率低。然而,隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展,人類對能源的需求量卻越來越大,新能源、可再生能源未能取代常規(guī)能源、不可再生能源,這就使能源出現(xiàn)了相對潰乏的現(xiàn)象。2008年,由于受國際油價攀升及供量不足的影響,我國廣東等多個省市地曾出現(xiàn)鬧油荒的局面。節(jié)約跑源和開發(fā)新能源、可再生能源是解決能源潰乏的有效方法。

[1]周志華,羅一新,劉 勤.關(guān)于我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的思考[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2005,15(11).

[2]李傳統(tǒng).新能源與可再生能源技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005.

[3]黃素逸.能源與節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[4][日]芝·茂雄·太田,弘·平瀨志富.初中理化[M].吳念圣,古慧明譯.上海:上海教育出片社,1981.

[5]陸 果.基礎(chǔ)物理學(xué)教程(上卷)[M].北京:高等教育出版社,1998.

[6]鄧人忠.關(guān)于能量定義的思考[J].上饒師范學(xué)院學(xué)報,2003,23(6).

[7]秦允豪.熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1990.

[8]程守株,江之永.普通物理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9]黃素逸,高 偉.能源概論[M].北京:高等教育出版社.2004.

[10]馮 青,李世武,張 麗.工程熱力學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[11]彭士祿,李盈安.尋找永恒的動力—著名科學(xué)家談能源科學(xué)[M].桂林:廣西師范大學(xué)出版社,1998.

[12]中關(guān)村國際環(huán)保產(chǎn)業(yè)促進中心.誰能驅(qū)動中國—世界能源危機和中國方略[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,廣西龍州縣人,壯族,欽州學(xué)院副教授。主要研究方向:基礎(chǔ)物理、清潔能源利用與污染控制技術(shù)。

楊雄珍(1966-),女,廣西賀州人,賀州學(xué)院副教授。主要研究方向:物理學(xué)。

廣西壯族自治區(qū)科技廳自然科學(xué)基金項目(桂科自0899016);廣西壯族自治區(qū)教育廳科研基金項目