第一章 能源概论
第一节 能量与能源
一、能量形式
能量是一切物质运动、变化和相互作用的度量。能量从实质上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。例如，水力发电就是利用水会自发地从高处流往低处的这一自发过程，使水的势能转化为动能，再推动水轮机转动，水轮机又带动发电机，通过发电机将机械能转换为电能供人类利用。显然能量利用的优劣、利用效率的高低与具体过程密切相关。而且利用能量的结果必然和能量系统的始末状态相联系，例如，水力发电系统通过消耗一部分水能来获得电能，系统的始末状态(如水位、流量等)都发生了变化。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6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，前者称为动能，后者称为势能。它们都是人类最早认识的能量形式。具体而言，动能是指系统(或物体)由于做机械运动而具有的做功能力。如果质量为m的物体的运动速度为u，则该物体的动能Ek可以用式(1-1)计算，即
势能与物体的状态有关，除了受重力作用的物体因其位置高度不同而具有所谓重力势能外，还有弹性势能(即物体由于弹性变形而具右的做功本领)和表面能(即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)。重力势能Ep可以用式(1-2)计算，即
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先经过热能形式而被利用的，因此热能在能量利用中具有重要意义。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。若系统熵的变化为山，则热能Eq可表示成
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，从而显示出电能做功的本领。如果驱动电子流动的电动势为U，电流强度为J，则其电能Ee可表示为
4.辐射能
辐射能是指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，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，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计算式为
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。人类利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢，而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。燃料燃烧时的化学能通常用燃料的发热值表示。
单位质量(对固体、液体燃料)或体积(气体燃料)的燃料在完全燃烧，且燃烧产物冷却到燃烧前的温度时，所放出的热量称为燃料的发热量(发热值或热值)，单位为kJ/kg或kJ/m3。应用上又将发热量分为高位发热量和低位发热量。高位发热量是指燃料完全燃烧，且燃烧产物中的水蒸气全部凝结成水时所放出的热量;低位发热量是燃料完全燃烧，而燃烧产物中的水蒸气仍以汽态存在时所放出的热量。显然，低位发热量在数值上等于高位发热量减去水的汽化潜热。由于燃烧设备，如锅炉中燃料燃烧，燃料中原有的水分及氢燃烧后生成的水均呈蒸汽状态随烟气排出，因此低位发热量接近实际可利用的燃料发热量，所以在热力计算中均以低位发热量作为计算依据。表1-1为各种不同燃料低位发热量的概略值。
6.核能
核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。轻质量原子核(氘、氚等)和重质量原子核(铀等)其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中更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。
二、能量性质
能量性质主要有状态性、可加性、传递性、转换性、做功性和贬值性。
1.状态性
能量取决于物质所处的状态，物质的状态不同，所具有的能量也不同(包括数量和质量)。其基本状态参数可以分为两类：一类与物质的量无关，不具有可加性，称为强度量，如温度、压力、速度、电动势和化学势等;另一类与物质的量相关，具有可加性，称为广延量，如体积、动量、电荷量和物质的量等。对能量利用中常用的工质，其状态参数为温度T、压力p和体积V，因此它的能量E的状态可表示为
2.可加性
物质的量不同，所具有的能量也不同，即可相加;不同物质所具有的能量也可相加，即一个体系所获得的总能量为输入该体系多种能量之和，故能量的可加性可表示为
3.传递性
能量可以从一个地方传递到另一个地方，也可以从一种物质传递到另一种物质。例如，对传热来讲，能的传递性可表示为
4.转换性
各种形式的能可以互相转换，其转换方式、转换数量、难易程度均不尽相同，即它们之间的转换效率是不一样的。研究能量转换方式和规律的科学是热力学，其核心任务就是如何提高能量转换的效率。
