内容发布更新时间 : 2024/5/4 11:35:22星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

工程热力学发展前沿及动态 一、 能源问题

能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可做功的物质的统称。是指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，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源.能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。

自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在此后的二十多年里，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。 1.开源节流

开源是指开发新能源如太阳能、核能、水能等，以缓解能源紧张的现状。节流是指减少自然资源的消耗，即对现有的自然资源的利用方式上进行改进，改变现在不合理的利用方式，提高利用效率。总的来说，开源节流也就是一方面积极开发新能源，另一方面还要节约使用传统能源，以开发新能源为主，以节约能源为辅，创造文明和谐的节约型社会，促进可持续发展。 2.能量的梯级利用

由于热能不可能全部转换为机械功，因而，与机械能、电能相比，其品位较低。热功转换效率与温度高低有关，高温热能的品位高于低温热能。一切不可逆过程均朝着降低能量品位的方向进行。能源的梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要措施。

不管是一次能源还是余能资源，均按其品位逐级加以利用。高、中温蒸汽先用来发电（或用于生产工艺），低温余热用来向住宅供热。所谓能量品位的高低， 1 是用它可转换为机械功的大小来度量。

能源的梯级利用包括按质用能和逐级多次利用两个方面：

（1）按质用能就是尽可能不使高品质能源去做低品质能源可完成的工作；在一定要用高温热源来加热时，也尽可能减少传热温差；在只有高温热源，又只需要低温加热的场合下，则应先用高温热源发电，再利用发电装置的低温余热加热，如热电联产。 （2）逐级多次利用就是高质能源的能量不一定要在一个设备或过程中全部用完，因为在使用高品质能源的过程中，能源的温度是逐渐下降的（即能的品质下降），而每种设备在消耗能源时，总有一个最经济合理的使用温度范围。这样，当高质能源在一个装置中已降至经济适用范围以外时，即可转至另一个能够经济使用这种较低能质的装置中去使用，使总的能源利用率达到最高水平。

虽然能源梯级利用是针对发电和供热企业提出的，但可以广泛地扩展到制冷、深冷、化工、冶金等各种工业过程，必要时可用热泵来提高热源的温度品位后再利用。不同的企业对能量的等级要求是不一样的，可以根据各用能企业的能级需求的高低构成能量的梯级利用关系，高能级热源经上一级企业使用后降为低能级热源，供给需求低的企业使用。能量的梯级利用能够有效地满足各单位的用能需要，而不增加能源消耗，极大地提高能源利用率。 3.分布式能源系统

分布式能源（distributed energy sources）是指分布在用户端的能源综合利用系统。一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅，利用一切可以利用的资源；二次能源以分布在用户端的热电冷（植）联产为主，其他中央能源供应系统为辅，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充；在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，争取实现适度排放的目标 。

分布式能源系统是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统整合优化，采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统，是相对于集中供能的分散式供能方式。

国际分布式能源联盟WADE对分布式能源定义为：安装在用户端的高效冷/ 2

热电联供系统，系统能够在消费地点（或附近）发电，高效利用发电产生的废能--生产热和电；现场端可再生能源系统包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。国内由于分布式能源正处于发展过程，对分布式能源认识存在不同的表述。具有代表性的主要有如下两种：第一种是指将冷/热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式直接安装在用户端，可独立地输出冷、热、电能的系统。能源包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气冷、热、电三联供等多种形式。第二种是指安装在用户端的能源系统，一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅。二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主，其它能源供应系统为辅，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，以直接满足用户多种需求，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充，实现资源利用最大化。 分布式能源系统具有以下优势：

⑴分布式能源具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，系统经济性好等特点。发展主要存在并网、供电质量、容量储备、燃料供应等问题。 ⑵分布式能源系统分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。通过在需求现场根据用户对能源的不同需求，实现温度对口供应能源，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。 ⑶分布式能源是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，根据终端能源利用效率最优化确定规模。

⑷分布式能源采用先进的能源转换技术，尽力减少污染物的排放，并使排放分散化，便于周边植被的吸收。同时，分布式能源利用其排放量小，排放密度低的优势，可以将主要排放物实现资源化再利用，例如：排放气体肥料化。

⑸分布式能源依赖于最先进的信息技术，采用智能化监控、网络化群控和远程遥控技术，实现现场无人值守。同时，也依赖于未来以能源服务公司为主体的能源社会化服务体系，实现运行管理的专业化，以保障各能源系统的安全可靠运行。 4.新能源（可再生能源）工程

（一）能源、新能源和可再生资源的含义

能源是指人类用来获取能量的自然资源，即能够直接或经过转换而获取某种 3 能量的自然资源，可以是物质，也可以是物质的运动。

新能源和可再生能源：即以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发与利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点在于开发太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能等。

新能源和可再生能源在我国指除常规能源和大型水力发电之外的太阳能、风能、生物质能、小水电、海洋能、地热能和氢能等。 （二）能源分类

1.按来源不同分类：(1).来自太阳的能量（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）； (2).地球的本身蕴藏的能量资源（如地热能、核能等）； (3).地球与其他天体相互作用而产生的能量（如潮汐能等）。

2.按形成条件分类：(1).一次能源：指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然气、水力、太阳能等）； (2).二次能源：在一次能源基础上加工而成的（如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等）。

3.按能源的使用与消耗分类：(1).再生能源：即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如太阳能、风能、水力等； (2).非再生能源：它随人类的利用而越来越少，如煤炭、石油、天然气、核燃料等。

4.按开发使用的程度、技术状况分类： (1).常规能源：指已被广泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等； (2).新能源：指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源。如核能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。 （三）新能源类型

新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

（1）太阳能一般指太阳光的辐射能量。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。

（2）风能是太阳辐射下空气流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的 4

优势，它蕴藏量大，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。 （3）地热能是来自地球深处的可再生性热能，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。

（4）海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。

(5)生物质能来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用。 (6) 核能分为核裂变能与核聚变能，前者已经被人类加以利用用来发电，而裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，放射性核废料的处理也一直是让人头疼的难题。与之相比，核聚变辐射极少，且核聚变燃料可以说是取之不尽，用之不竭。 二、 大气热力学

大气热力学是一门应用热力学原理研究大气热状态及其热力过程的学科。主要是在热力学概念和定律的基础上，来研究大气的热状态及其热力过程，如水相平衡与转变过程、大气中的可逆绝热过程与不可逆绝热过程、气层的静力稳定度及引起静力稳定度发生的转变过程等等。

大气热力学对干绝热过程的研究开始得最早，主要研究干空气的气块在运动过程中由于压缩和膨胀引起的温度变化，得到干绝热过程温度递减率。后来注重到水汽以及与之有关的凝聚和蒸发、凝固和溶解等过程对大气中热力过程的重要作用，又开始了对潮湿空气，非凡是饱和湿空气热力学的研究，得到了湿绝热过程温度递减率；建立了表征大气中水汽含量(包括各种湿度)的温湿特征以及虚温度的概念；研究了可逆凝聚和假绝热过程；还研究了成云致雹各个阶段的热力过程。

由于大气动力学的基本方程组中包括了气体状态方程和热力学第一定律，所以大气动力学和大气热力学之间有着密切的联系 热力学中发展的非平衡态热力学是对物理和化学现象的研究成果，可以认为这些现象是实验室尺度的物理和化学现象。他们所研究的热力系统是以分子为基本粒子的宏观系统；其耗散过程是分子粘性效应.而大气热力系统是空气微团组 5

成的地球尺度的宏观系统；其耗散过程是湍流粘性效应；并受重力场和柯氏力等动力因子和热力层结的热力因子控制。因此，需要发展适合大气固有特征的热力学，把物理、化学中的非平衡态热力学应用到大气科学中是学科发展迫切要求的。 在大气科学中，表达热力学第一定律的方程是构建数值模式的基本方程，而热力学第二定律在大气力学中似乎不占重要地位。实际上热力学第二定律表示了一个方向失，即系统的热力过程是不可逆的，表示了系统运动的时间趋向，具有重要的物理内涵。基于热力学第二定律,可以在数值计算中构造合理的差分格式,研究表明这种具有物理含意的差分格式确能提高天气预报准确率。 从熵平衡观点来研究气候系统始于1980年代，1990年代取得了新的进展。如研究气候常定态时的熵产生，根据卫星观测资料计算源于短波辐射和长波辐射的熵通量。用简单垂直灰模型研究气候平衡态的结果表明，地球气候存在一个唯一的气温分布和对流-辐射通量分布，它代表了一个最大熵增态，而这一分布类似于现在气候。这表示，现在大气热通量的全球平均态以及另一些行星的现有状态，是以其可能最大速率的熵增方式达到稳定的。

理论热力学中非线性热力系统的最小熵产生定理和稳定性判据都是在小扰动假设下证明的;可以在更宽的条件下，利用动力学方程的性质证明最小熵产生定理和稳定性判据。理论上指出，最小熵产生的大气状态并非定态，由于大气动力过程仍可使大气流速、温度和水汽仍处于非定态之中。最小熵产生的大气状态是系统不存在任何动量、热量和水汽量的源/汇的热力学状态，也就是是无源的态，这和理论热力学最小熵产生态的结论是不同的。这不但发展了非平衡态大气热力学，而且具有理论物理价值。1990年代以来，国内外大气科学领域对大气熵理论求解热力学方程的福克-普朗克(Fokker-Planck)途径等方面都进行了有成效的研究，丰富了非线性大气热力学。把动力变量和动力方程变换为熵表达形式，也已有这方面的尝试，其思路是直接把动力变量类比地看作为一个温度变量来定义熵函数的。 由于我们对大气的热力学作用和热力过程了解还不够，大气非平衡态热力学理论研究也处在初创期，任重而道远。1970年代以来，已尝试从热力熵理论来建立气候系统模式，这样有可能不必在模式中涉及所有尺度上的物理过程而建模。但从热力-动力熵理论来发展大气数值模式更具有吸引力，因为大气的动力 6

过程对描写大气运动是非常重要的。相信，随着当今其他学科的急速进展，特别是物理、化学和计算数学的发展，在不久的将来，定能在此基础上建立和发展突显热力学作用的数值模式。 三、 生物热力学

生物热力学也称宏观生物力能学，它广泛应用了物理学中的热力学理论，首先是经典热力学的基本定律，并用热力学参数来表达数量关系。

机体利用新陈代谢产生的能量来维持正常生命，从热力学角度可定量地测量一个生物化学反应过程或生物过程中一定数量的能量所能完成的工作。因此，生物热力学可被定义为对机体的生物和化学过程中与能量相关的定量研究，重点是生物化学反应和生物过程中的热力学规律和应用，主要内容包括Gibbs 自由能和热力学平衡等热力学规律以及与热力学相关的研究如机体内能量转换、蛋白质结构和结合以及物质跨膜输运等受能量控制的生物化学反应或生物过程。