第一章 能量与能源

第一章 能量与能源

第一节 能 量

人类所认识的六种能量形式

机械能 热 能 电 能 辐射能 化学能 核 能 1机械能

机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能

如果质量为m 的物体的运动速度为v 则该物体的动能E k 可以用下式计算：

重力势能E p 可以用下式计算

弹性势能 的计算式为：

表面能 可用下式计算

2 热能

构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度

的高低，它反映了分子运动的激烈程度。通常热能E q 可表述成如下的形式：

3 电能

电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，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换为机械能，从而显示出电做功的本领。

4 辐射能

辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。

物体的辐射能E r 可由下式计算：

5 化学能

化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。

按化学热力学定义，物质或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。

6 核能

核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。

轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等

质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就

2

k 21mv E =mgH E =p 2τ2

1kx E =S E σ=s ⎰

=S T E d q UI

E =e 40r 100⎪⎭

⎫

⎝⎛=T c E ε

是核能。

7 能量的性质

状态性

可加性

传递性

转换性

做功性

贬值性

8 能量的转换

能量在空间上的转移，即能量的传输。

能量在时间上的转移，即能量的储存。

9 能量传递过程的特点

能量传递是有条件的，即在有能量密度差的条件下，能量总是从能量密度大的物质或能量集中的地方，向能量密度小的物质或地方传递；总是从集中到分散并逐步达到平衡。

能量传递遵循一定的规律，即能量传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的阻力。

9 能量传递的途径主要有两条：由物质交换和质量输运而携带的能量称为携带能；在体系边界面上的能量交换称为交换能。

在体系边界面上的能量交换通常以两种方法进行：传热——由温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形式；做功——由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。

通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功，其具体方式为：传热的三种基本方式是热传导、热对流和热辐射；做功（这里指机械功）的三种基本方式是容积功、转动轴功和流动功（推动功）。

能量传递的结果主要体现在两方面，即能量使用过程中所起的作用以及能量传递的最终去向。

能量传递的最终去向通常只有两条：或转移到产品，或散失于环境，包括直接损失和用于过程后再进入环境这两种情况。

能量传递的实质实际上就是能量利用的实质。如果把产品的使用也包括在内，能量的最终去向只能是唯一的，即最终进入环境

第二节能源的分类与评价

1 能源的分类

所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。

自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。

为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。

由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下六种不同的分类方法：

（1）按地球上的能量来源分；

（2）按被利用的程度分；

（3）按获得的方法分；

（4）按能否再生分；

（5）按能源本身的性质分；

（6）按对环境的污染情况分。

按地球上的能量来源分

来自于地球本身，如核能、地热能等；

来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；

来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。

按被利用的程度分

常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；

新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。

按获得的方法分

一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；

二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，是高品质的能源。

按能源能否再生分

可再生能源，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；

非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。

按能源本身的性质分

含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；

过程性能源（非燃料能源），如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等，它们无法直接储存。

按对环境的污染情况分

清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；

非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。

2能源的评价

能源多种多样，各有优缺点，为了正确选择和使用能源，必须对各种能源进行正确的评价。

储量

能量密度

储能的可能性与供能的连续性

能源的地理分布

开发费用和利用能源的设备费用

运输费用与损耗

能源的可再生性

能源的品位

对环境的影响

第三节能源与人类文明

1 能源更迭与社会发展

人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。

(1)火的发现和利用；

(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；