能量與節(jié)能在化工教學(xué)中的闡釋

王龍耀 王嵐

［摘要］在節(jié)能減排的大背景下，合理闡釋能量的轉(zhuǎn)化與守恒關(guān)系成為化工教學(xué)中的重要內(nèi)容。本文在系統(tǒng)介紹能量與能源類別的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同能量相互轉(zhuǎn)化路徑的分析，引入和加強(qiáng)有效能概念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立起正確的能源利用和開(kāi)發(fā)理念，并使其了解和掌握化工生產(chǎn)中科學(xué)的節(jié)能方法和途徑。

［關(guān)鍵詞］能量節(jié)能有效能高等工程教育

［中圖分類號(hào)］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）13-0077-02

能源問(wèn)題是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展遇到的重要問(wèn)題，節(jié)能減排已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)。[1]如果說(shuō)實(shí)體物質(zhì)是人類世界的承載基礎(chǔ)，那么能量則是維持這個(gè)世界運(yùn)行的保證。如果說(shuō)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)和利用，那么能量就是物質(zhì)循環(huán)背后的推動(dòng)力。在人類生活中，任何變化都離不開(kāi)能量，無(wú)論是物理變化還是化學(xué)化學(xué)，以及形態(tài)、位置等等的任何一個(gè)微小改變，都伴隨著能量的變化過(guò)程。因此無(wú)論從局部還是整體，以物質(zhì)為載體的能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移過(guò)程，都以不同形式主導(dǎo)了化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)。[2]

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，高等化工教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)出系統(tǒng)性強(qiáng)，按學(xué)科專業(yè)分類細(xì)化的特點(diǎn)。[3]但在多學(xué)科交叉、多種新技術(shù)應(yīng)用的情況下，這容易造成基礎(chǔ)知識(shí)的邊緣化，從而不利于學(xué)生綜合性“大工程觀”概念的形成。[4]因此，在化工教學(xué)中打破能源、化學(xué)和化工等傳統(tǒng)學(xué)科的劃分，將相關(guān)內(nèi)容融合在一起，更有利于揭示知識(shí)的本質(zhì)聯(lián)系，加強(qiáng)學(xué)科之間的聯(lián)系，避免學(xué)科之間知識(shí)的脫節(jié)與重復(fù)，使學(xué)生對(duì)化工形成統(tǒng)一和整體的認(rèn)識(shí)。

一、能量與能源

能量是度量物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種物理量，其不僅具有表現(xiàn)各異的形式，不同形式的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)還可通過(guò)做功、傳熱等方式實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。在宏觀上，物質(zhì)所具有的動(dòng)能和勢(shì)能被合稱為機(jī)械能。但在微觀上，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的平均動(dòng)能則表現(xiàn)為熱能，而以化學(xué)鍵為主要表現(xiàn)形式的勢(shì)能則被稱為化學(xué)能。相應(yīng)于不同形式的運(yùn)動(dòng)，能量的單位有焦、千瓦時(shí)、電子伏（特）等。此外，自然界存在的能量還包括電能、輻射能和核能。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，能量也不是絕對(duì)守恒的，如核能遵照質(zhì)能方程可與質(zhì)量發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。但在非發(fā)生核反應(yīng)的情況下，質(zhì)能之間的變化難以讓人覺(jué)察，通常認(rèn)為是遵循熱力學(xué)第一定律的。

能源是可產(chǎn)生各種能量的物質(zhì)的統(tǒng)稱，是能夠直接取得或者通過(guò)加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源。按照不同的劃分方式，能源可分為不同的類型，[5]例如根據(jù)產(chǎn)生的方式可分為一次能源（天然能源）和二次能源（人工能源），根據(jù)能源消耗后是否造成環(huán)境污染可分為污染型能源和清潔型能源，根據(jù)能源使用的類型可分為常規(guī)能源和新型能源，按使用特性又可分為再生能源和非再生能源等。從宏觀的角度來(lái)看，地球表面的總能量變化是守恒的，能量來(lái)源主要有太陽(yáng)輻射能（1.74×1017W）、潮汐能（~3.2×1012W）及地?zé)岷秃四埽▇3.2×1013W），其中被人類開(kāi)發(fā)利用的礦物燃料和核能等僅占了總能源的很小部分（~9.3×1012W）。

二、能量的相互轉(zhuǎn)化

在利用天然能源的時(shí)候，往往需要將一次能源轉(zhuǎn)化成方便使用的二次能源。[6]這種變換一般既包含能源類別的變化，也包含能量形態(tài)的變化。在使用二次能源過(guò)程中，能又會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。例如，汽車發(fā)動(dòng)時(shí)，燃油所具有的化學(xué)能通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能；在離子膜法生產(chǎn)氯堿時(shí)，電能會(huì)通過(guò)離子膜電解槽轉(zhuǎn)化為氯堿產(chǎn)品所具有的化學(xué)能。使用能源的過(guò)程，實(shí)際上是就是能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

進(jìn)行能量變換的目的有很多種，常見(jiàn)的有做功、控溫、發(fā)光發(fā)熱和制造信息載體等。在能量的變換過(guò)程中，凡是遵循經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)和熱力學(xué)規(guī)律的變換叫宏觀變換；凡遵循量子力學(xué)規(guī)律的變換叫微觀變換，例如，由光量子與微觀粒子的作用而引起的能的變換。此外，以卡諾循環(huán)為代表的速度無(wú)限慢的變換，被稱為準(zhǔn)靜變換；而在實(shí)際應(yīng)用中，具有一定速度的變換則被稱為動(dòng)態(tài)變換。

發(fā)生能的動(dòng)態(tài)變換時(shí)，其變換量是廣義的流（flow）J，它與廣義的力（force）X成正比。[7]通常J可以表示為X與比例常數(shù)L（變換過(guò)程的阻力的倒數(shù)）的乘積。流J可以是熱流、電流、流體流、物體運(yùn)動(dòng)的線速度或旋轉(zhuǎn)速度等，而力X則相應(yīng)為溫度差、電勢(shì)差、壓力差、機(jī)械力及轉(zhuǎn)矩等。通過(guò)對(duì)變換過(guò)程的分析和具體量化，能量廣義表達(dá)式可以衍生出不同的表達(dá)形式。對(duì)于單一現(xiàn)象，其表達(dá)形式可以是歐姆電阻定律、牛頓粘滯定律、費(fèi)克擴(kuò)散定律、傅里葉導(dǎo)熱定律等。

人類利用能源，往往不是直接利用能源的本身（除了作為工業(yè)原料外），而是利用由能源直接或通過(guò)轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的各種能量，如化石燃料通過(guò)燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，然后通過(guò)汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能等。[8]在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，主要的節(jié)點(diǎn)有內(nèi)能、電能、化學(xué)能和機(jī)械能。此外，電磁波也是能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的一個(gè)重要表現(xiàn)形式。

三、有效能與節(jié)能

熱力學(xué)第一定律指出了能量守恒的適用性，1930年由福勒（R.H.Fowler）提出的熱力學(xué)第零定律則為能量衡算提供了實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。[9]但依據(jù)開(kāi)爾文（Kelvin）和克勞修斯（Clausius）的說(shuō)法，熱力學(xué)第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換的不可逆性和不等價(jià)性，即所有自發(fā)的過(guò)程均是不可逆的（熵增原理），這為不同能量間差異的判斷提供了準(zhǔn)則。

在高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鳠徇^(guò)程中，卡諾循環(huán)給出了所能轉(zhuǎn)化為功的最大值。對(duì)于一個(gè)處于特定狀態(tài)（P,T）的熱力學(xué)系統(tǒng)，可逆變化到環(huán)境狀態(tài)（P0,T0），理論上所能做出的最大有用功W被認(rèn)為是有效能，[10]其中基于與環(huán)境之間的溫度差和壓力差的有效能叫物理有效能。

此外，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)也可以從體系中獲得有效能，這種基于與環(huán)境間的化學(xué)勢(shì)差的有效能叫化學(xué)有效能。確定每一元素的環(huán)境狀態(tài)，包括溫度、壓力、物態(tài)和組成，規(guī)定“不能再用化學(xué)手段取出功”的化合物的有效能為零，以此為基準(zhǔn)對(duì)過(guò)程前后化合物的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)有效能進(jìn)行比較，可以計(jì)算出相應(yīng)的有效能。有效能是狀態(tài)函數(shù)，其在系統(tǒng)總能量中所占的比例，往往也代表了該系統(tǒng)能量的品位。據(jù)此可以把能量分為三類[4]：以電能、機(jī)械能為代表的理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的高質(zhì)能量；以高溫?zé)崮芎突瘜W(xué)能為代表的能部分轉(zhuǎn)化為有用功的低質(zhì)能量；以海水、地殼等環(huán)境狀態(tài)中的熱能為代表的不能轉(zhuǎn)化為功的僵態(tài)能量。

在實(shí)際生產(chǎn)中，常會(huì)遇到能量的損耗問(wèn)題，這其實(shí)是有效能的損耗。過(guò)程總能量是守恒的，但由于實(shí)際過(guò)程的不可逆性，有效能并不守恒，熱力學(xué)第一定律所指出的能量守恒實(shí)際上是指有效能和無(wú)效能之和的守恒。[11]有效能損失在任何不可逆的過(guò)程中，且不可逆程度越高，有效能損失得越多。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，提高能量的利用效率，主要就是提高有效能的利用效率，這也是化工過(guò)程節(jié)能分析的關(guān)鍵。

由于來(lái)源的不同，能量在品位上存在差異；由于轉(zhuǎn)化路徑的不同，有效能的轉(zhuǎn)化效率會(huì)有所區(qū)別。有效能效率η可表示為過(guò)程中輸出有效能與輸入有效能的比。因此，在實(shí)際的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中，能量可被利用的程度，除了與過(guò)程的性質(zhì)有密切關(guān)系外，還與體系能量所處的狀態(tài)、品位有關(guān)。根據(jù)能量來(lái)源和有效能的定義，針對(duì)不同的化工過(guò)程，通過(guò)化工過(guò)程能量衡算和有效能分析可以評(píng)價(jià)能量利用的情況，揭示能量與有效能損失的原因，指明節(jié)能的途徑。

四、總結(jié)

工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步，而能量是推動(dòng)工業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的客觀動(dòng)力。能源的開(kāi)發(fā)與使用不僅受到政治、經(jīng)濟(jì)因素的影響，還受到技術(shù)、管理水平的限制。在新能源開(kāi)發(fā)和節(jié)能減排的社會(huì)大背景下，如何實(shí)現(xiàn)能源的合理開(kāi)發(fā)和使用，是化工教學(xué)中的熱點(diǎn)問(wèn)題。

教學(xué)結(jié)果表明，在化工課程學(xué)習(xí)中就能量分類與節(jié)能措施展開(kāi)討論，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，可以讓學(xué)生樹(shù)立起正確的能源開(kāi)發(fā)和利用理念，了解和掌握科學(xué)的節(jié)能途徑和方法。此外，從化學(xué)與化工的視角對(duì)現(xiàn)代能源的開(kāi)發(fā)與利用展開(kāi)介紹和剖析，探討其中交叉滲透的情況，可以培養(yǎng)學(xué)生的思維方法，建立更能適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的知識(shí)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)學(xué)生將相關(guān)學(xué)科知識(shí)結(jié)合起來(lái)處理實(shí)際問(wèn)題的能力。

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［責(zé)任編輯：覃侶冰］