中国能源利用及环境效应

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1、第一章绪论第一章绪论第一节能量与能源一、能量及其形式宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。无论是物理变化还是化学变化，以及形态、位置等等的任何一个微小改变，都伴随着能量的变化过程。人类一切活动也都与能量及其使用紧密相关。人类从原始社会发展到今天文明发达、五彩缤纷的世界，是在消耗了大量能量的条件下取得的变化。科学史观认为，物质是某种既定的东西，既不能被创造也不能被消灭，因此作为物质属性的能量也一样不能创造和消灭。爱因斯坦于1922年揭示了能量和物质质量之间的关系，即：　　　　　　　　　　　　　J（1-1）式中：E表示物质释放的能量，J；m为

2、转变为能量的物质的质量，kg；c为光速，3×l08m/s。式（1-1）表示的是一个可逆过程，其前提是质量和能量的总和在任何能量的转换过程中都必须保持不变。所谓能量，广义地说，就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化）的过程必然伴随着能量的消耗或转化。对能量的分类方法没有统一的标准，到目前为止，人类认识的能量有如下六种形式。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，前者称之为动能，后者称之为势能。它们都是人类最早认识的能量形式。动能是指系统（或物体）由于作机械运动而具有的做功能力。如果质量为m（kg）的物体

3、的运动速度为v（m/s），则该物体的动能Ek可以用式（1-2）计算。　　　　　　　　　　　　　J（1-2）势能与物体的状态有关，包括重力势能Ep、弹性势能Eτ和表面能Es。重力势能是指受重力作用的物体因其位置高度不同而具有的做功能力，可以用式（1-3）计算，其中g为重力加速度（m/s2），H为相对高度差（m）；弹性势能是指物体由于弹性变形而具有的做功本领，用式（1-4）计算，其中k为物体的弹性系数（N/m），x为物体的变形量（m）；表面能是指不同类物质或同类物质不同相的分界面上，由于表面张力的存在而具有的做功能力，可按式（1-5）计算，其中σ为

4、表面张力系数（N/m），S为相界面的面积（m2）。J（1-3）J（1-4）J（1-5）2.热能热能是能量的一种基本形式、所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的，因此热能在能量利用中有重要意义。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。热能Eq通常可用式（1-6）表述，其中T为温度，dS为熵增。　　　　　　　　　　　　　J（1-6）3.电能电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常是由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械

5、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。如果驱动电子流动的电动势为U（V），电流强度为I（A），则其电能Ee可用式（1-7）计算。35第一章绪论　　　　　　　　　　　　　J（1-7）4.辐射能辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能，其中从能量利用的角度而言，因热的原因而发出的辐射能（又称热辐射能）是最有意义的，例如地球表面所接受的太阳能就是最重要的热辐射能。物体的辐射能Er可用式（1-8）计算，其中ε为物理的反射率（-）；c0为黑体辐射系数，为5.67W/（m2·K4）；T为物体的绝对温

6、度（K）。　　　　　　　　　　　　　J（1-8）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成为化学能。目前人类所利用的化学能有电池起电或具有正反应热的过程，其中最主要的发热反应是碳和氢的燃烧，即：C+O2=CO2+32780kJ/kg（1-9）kJ/kg（1-10）而C、H两种元素是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。从式（1-9）和式（1-10）可以看出，燃烧同样质量的氢燃烧所释放的能量为碳燃烧的3.66倍。因此，一种燃料的热值高低可以从

7、其碳氢比KCH看出，KCH越高，其热值越低。如：燃油的KCH=6~9，烟煤的KCH=12~14，无烟煤KCH>20，因此燃油的热值要比无烟煤高得多。表1-1为各种不同燃料低位发热量的概略值。表1-1各种不同燃料低位发热量燃料种类燃料热值固体燃料（MJ/kg）天然燃料木材13.80泥煤15.89褐煤18.82烟煤27.18加工的固体燃料木炭29.27焦炭28.43焦块26.34液体燃料（MJ/kg）天然的液体燃料石油（原油）41.82加工的液体燃料汽油45.99液化石油气50.18煤油45.15重油43.91焦油37.22甲苯40.56苯40.1

8、4酒精26.76气体燃料（MJ/m3）天然的气体燃料天然气37.63加工的气体燃料焦炉煤气18.82高炉煤气3.76发生炉煤气5.85水煤气10.45