能量与节能在化工教学中的阐释

王龙耀 王岚

［摘要］在节能减排的大背景下，合理阐释能量的转化与守恒关系成为化工教学中的重要内容。本文在系统介绍能量与能源类别的基础上，通过对不同能量相互转化路径的分析，引入和加强有效能概念，进而培养学生树立起正确的能源利用和开发理念，并使其了解和掌握化工生产中科学的节能方法和途径。

［关键词］能量节能有效能高等工程教育

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）13-0077-02

能源问题是当今社会发展遇到的重要问题，节能减排已成为当前工业生产的重要任务。[1]如果说实体物质是人类世界的承载基础，那么能量则是维持这个世界运行的保证。如果说循环经济的理念是实现物质的循环和利用，那么能量就是物质循环背后的推动力。在人类生活中，任何变化都离不开能量，无论是物理变化还是化学化学，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。因此无论从局部还是整体，以物质为载体的能量转化与转移过程，都以不同形式主导了化学工业的生产。[2]

经过多年的发展，高等化工教学内容呈现出系统性强，按学科专业分类细化的特点。[3]但在多学科交叉、多种新技术应用的情况下，这容易造成基础知识的边缘化，从而不利于学生综合性“大工程观”概念的形成。[4]因此，在化工教学中打破能源、化学和化工等传统学科的划分，将相关内容融合在一起，更有利于揭示知识的本质联系，加强学科之间的联系，避免学科之间知识的脱节与重复，使学生对化工形成统一和整体的认识。

一、能量与能源

能量是度量物质运动的一种物理量，其不仅具有表现各异的形式，不同形式的物质运动还可通过做功、传热等方式实现相互转换。在宏观上，物质所具有的动能和势能被合称为机械能。但在微观上，分子无规则运动所具有的平均动能则表现为热能，而以化学键为主要表现形式的势能则被称为化学能。相应于不同形式的运动，能量的单位有焦、千瓦时、电子伏（特）等。此外，自然界存在的能量还包括电能、辐射能和核能。严格来说，能量也不是绝对守恒的，如核能遵照质能方程可与质量发生相互转化。但在非发生核反应的情况下，质能之间的变化难以让人觉察，通常认为是遵循热力学第一定律的。

能源是可产生各种能量的物质的统称，是能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。按照不同的划分方式，能源可分为不同的类型，[5]例如根据产生的方式可分为一次能源（天然能源）和二次能源（人工能源），根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，根据能源使用的类型可分为常规能源和新型能源，按使用特性又可分为再生能源和非再生能源等。从宏观的角度来看，地球表面的总能量变化是守恒的，能量来源主要有太阳辐射能（1.74×1017W）、潮汐能（~3.2×1012W）及地热和核能（~3.2×1013W），其中被人类开发利用的矿物燃料和核能等仅占了总能源的很小部分（~9.3×1012W）。

二、能量的相互转化

在利用天然能源的时候，往往需要将一次能源转化成方便使用的二次能源。[6]这种变换一般既包含能源类别的变化，也包含能量形态的变化。在使用二次能源过程中，能又会发生转化。例如，汽车发动时，燃油所具有的化学能通过发动机会转化成机械能；在离子膜法生产氯碱时，电能会通过离子膜电解槽转化为氯碱产品所具有的化学能。使用能源的过程，实际上是就是能量的转化过程。

进行能量变换的目的有很多种，常见的有做功、控温、发光发热和制造信息载体等。在能量的变换过程中，凡是遵循经典力学、电磁学和热力学规律的变换叫宏观变换；凡遵循量子力学规律的变换叫微观变换，例如，由光量子与微观粒子的作用而引起的能的变换。此外，以卡诺循环为代表的速度无限慢的变换，被称为准静变换；而在实际应用中，具有一定速度的变换则被称为动态变换。

发生能的动态变换时，其变换量是广义的流（flow）J，它与广义的力（force）X成正比。[7]通常J可以表示为X与比例常数L（变换过程的阻力的倒数）的乘积。流J可以是热流、电流、流体流、物体运动的线速度或旋转速度等，而力X则相应为温度差、电势差、压力差、机械力及转矩等。通过对变换过程的分析和具体量化，能量广义表达式可以衍生出不同的表达形式。对于单一现象，其表达形式可以是欧姆电阻定律、牛顿粘滞定律、费克扩散定律、傅里叶导热定律等。

人类利用能源，往往不是直接利用能源的本身（除了作为工业原料外），而是利用由能源直接或通过转换而产生的各种能量，如化石燃料通过燃烧将化学能转变成热能，然后通过汽轮机将热能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能等。[8]在能量的转换过程中，主要的节点有内能、电能、化学能和机械能。此外，电磁波也是能量在转换过程中的一个重要表现形式。

三、有效能与节能

热力学第一定律指出了能量守恒的适用性，1930年由福勒（R.H.Fowler）提出的热力学第零定律则为能量衡算提供了实验基准。[9]但依据开尔文（Kelvin）和克劳修斯（Clausius）的说法，热力学第二定律指出了热功转换的不可逆性和不等价性，即所有自发的过程均是不可逆的（熵增原理），这为不同能量间差异的判断提供了准则。

在高温热源向低温热源传热过程中，卡诺循环给出了所能转化为功的最大值。对于一个处于特定状态（P,T）的热力学系统，可逆变化到环境状态（P0,T0），理论上所能做出的最大有用功W被认为是有效能，[10]其中基于与环境之间的温度差和压力差的有效能叫物理有效能。

此外，通过化学反应也可以从体系中获得有效能，这种基于与环境间的化学势差的有效能叫化学有效能。确定每一元素的环境状态，包括温度、压力、物态和组成，规定“不能再用化学手段取出功”的化合物的有效能为零，以此为基准对过程前后化合物的标准化学有效能进行比较，可以计算出相应的有效能。有效能是状态函数，其在系统总能量中所占的比例，往往也代表了该系统能量的品位。据此可以把能量分为三类[4]：以电能、机械能为代表的理论上能完全转化为有用功的高质能量；以高温热能和化学能为代表的能部分转化为有用功的低质能量；以海水、地壳等环境状态中的热能为代表的不能转化为功的僵态能量。

在实际生产中，常会遇到能量的损耗问题，这其实是有效能的损耗。过程总能量是守恒的，但由于实际过程的不可逆性，有效能并不守恒，热力学第一定律所指出的能量守恒实际上是指有效能和无效能之和的守恒。[11]有效能损失在任何不可逆的过程中，且不可逆程度越高，有效能损失得越多。在化工生产过程中，提高能量的利用效率，主要就是提高有效能的利用效率，这也是化工过程节能分析的关键。

由于来源的不同，能量在品位上存在差异；由于转化路径的不同，有效能的转化效率会有所区别。有效能效率η可表示为过程中输出有效能与输入有效能的比。因此，在实际的能量转换和传递过程中，能量可被利用的程度，除了与过程的性质有密切关系外，还与体系能量所处的状态、品位有关。根据能量来源和有效能的定义，针对不同的化工过程，通过化工过程能量衡算和有效能分析可以评价能量利用的情况，揭示能量与有效能损失的原因，指明节能的途径。

四、总结

工业生产的发展推动了人类社会的进步，而能量是推动工业过程实现的客观动力。能源的开发与使用不仅受到政治、经济因素的影响，还受到技术、管理水平的限制。在新能源开发和节能减排的社会大背景下，如何实现能源的合理开发和使用，是化工教学中的热点问题。

教学结果表明，在化工课程学习中就能量分类与节能措施展开讨论，能够有效地激发学生的学习兴趣和热情，可以让学生树立起正确的能源开发和利用理念，了解和掌握科学的节能途径和方法。此外，从化学与化工的视角对现代能源的开发与利用展开介绍和剖析，探讨其中交叉渗透的情况，可以培养学生的思维方法，建立更能适应市场经济发展需要的知识结构，加强学生将相关学科知识结合起来处理实际问题的能力。

［参考文献］

［1］（美）阿莫斯·萨尔瓦多．能源历史回顾与21世纪展望［M］．北京：石油工业出版社，2007：139-155．

［2］黄婕，齐鸣斋，金浩等．论化工过程的节能［J］．化工高等教育，2012（4）:93-96．

［3］粟智．化学热力学与现代教育［J］．高等理科教育，2006（3）:116-118．

［4］王龙耀，王岚，鲁新宇．有效能概念在化工设计中的阐释［J］．化工高等教育，2008（5）:94-97．

［5］李业发，杨延柱．能源工程导论［M］．合肥：中国科学技术大学出版社，1999：4-8．

［6］胡徐腾，王正元，李振宇．我国能源化工面临的挑战及对策思考（I）［J］．化工进展，2006（3）:239-243．

［7］廖晓垣．能源化学导论［M］．武汉：华中理工大学出版社，1989：47-52．

［8］陈凤林，张嘻，邢德海．从中国化工節能实践谈企业集团节能管理的途径［J］．中国能源，2010（10）：25-29．

［9］傅海辉．物理学基本定律的独立性之争及其反思 ［J］．自然辩证法研究，2005（1）:5-8．

［10］ 马沛生．化工热力学（第二版） ［M］．北京:化学工业出版社，2009：73-78．

［11］ 赵东江．热力学过程的性质、方向和限度判据的研究 ［J］．化工高等教育，2007（1）:47-49．

［责任编辑：覃侣冰］