能量與節能在化工教學中的闡釋

王龍耀 王嵐

［摘要］在節能減排的大背景下，合理闡釋能量的轉化與守恒關系成為化工教學中的重要內容。本文在系統介紹能量與能源類別的基礎上，通過對不同能量相互轉化路徑的分析，引入和加強有效能概念，進而培養學生樹立起正確的能源利用和開發理念，并使其了解和掌握化工生產中科學的節能方法和途徑。

［關鍵詞］能量節能有效能高等工程教育

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）13-0077-02

能源問題是當今社會發展遇到的重要問題，節能減排已成為當前工業生產的重要任務。[1]如果說實體物質是人類世界的承載基礎，那么能量則是維持這個世界運行的保證。如果說循環經濟的理念是實現物質的循環和利用，那么能量就是物質循環背后的推動力。在人類生活中，任何變化都離不開能量，無論是物理變化還是化學化學，以及形態、位置等等的任何一個微小改變，都伴隨著能量的變化過程。因此無論從局部還是整體，以物質為載體的能量轉化與轉移過程，都以不同形式主導了化學工業的生產。[2]

經過多年的發展，高等化工教學內容呈現出系統性強，按學科專業分類細化的特點。[3]但在多學科交叉、多種新技術應用的情況下，這容易造成基礎知識的邊緣化，從而不利于學生綜合性“大工程觀”概念的形成。[4]因此，在化工教學中打破能源、化學和化工等傳統學科的劃分，將相關內容融合在一起，更有利于揭示知識的本質聯系，加強學科之間的聯系，避免學科之間知識的脫節與重復，使學生對化工形成統一和整體的認識。

一、能量與能源

能量是度量物質運動的一種物理量，其不僅具有表現各異的形式，不同形式的物質運動還可通過做功、傳熱等方式實現相互轉換。在宏觀上，物質所具有的動能和勢能被合稱為機械能。但在微觀上，分子無規則運動所具有的平均動能則表現為熱能，而以化學鍵為主要表現形式的勢能則被稱為化學能。相應于不同形式的運動，能量的單位有焦、千瓦時、電子伏（特）等。此外，自然界存在的能量還包括電能、輻射能和核能。嚴格來說，能量也不是絕對守恒的，如核能遵照質能方程可與質量發生相互轉化。但在非發生核反應的情況下，質能之間的變化難以讓人覺察，通常認為是遵循熱力學第一定律的。

能源是可產生各種能量的物質的統稱，是能夠直接取得或者通過加工、轉換而取得有用能的各種資源。按照不同的劃分方式，能源可分為不同的類型，[5]例如根據產生的方式可分為一次能源（天然能源）和二次能源（人工能源），根據能源消耗后是否造成環境污染可分為污染型能源和清潔型能源，根據能源使用的類型可分為常規能源和新型能源，按使用特性又可分為再生能源和非再生能源等。從宏觀的角度來看，地球表面的總能量變化是守恒的，能量來源主要有太陽輻射能（1.74×1017W）、潮汐能（~3.2×1012W）及地熱和核能（~3.2×1013W），其中被人類開發利用的礦物燃料和核能等僅占了總能源的很小部分（~9.3×1012W）。

二、能量的相互轉化

在利用天然能源的時候，往往需要將一次能源轉化成方便使用的二次能源。[6]這種變換一般既包含能源類別的變化，也包含能量形態的變化。在使用二次能源過程中，能又會發生轉化。例如，汽車發動時，燃油所具有的化學能通過發動機會轉化成機械能；在離子膜法生產氯堿時，電能會通過離子膜電解槽轉化為氯堿產品所具有的化學能。使用能源的過程，實際上是就是能量的轉化過程。

進行能量變換的目的有很多種，常見的有做功、控溫、發光發熱和制造信息載體等。在能量的變換過程中，凡是遵循經典力學、電磁學和熱力學規律的變換叫宏觀變換；凡遵循量子力學規律的變換叫微觀變換，例如，由光量子與微觀粒子的作用而引起的能的變換。此外，以卡諾循環為代表的速度無限慢的變換，被稱為準靜變換；而在實際應用中，具有一定速度的變換則被稱為動態變換。

發生能的動態變換時，其變換量是廣義的流（flow）J，它與廣義的力（force）X成正比。[7]通常J可以表示為X與比例常數L（變換過程的阻力的倒數）的乘積。流J可以是熱流、電流、流體流、物體運動的線速度或旋轉速度等，而力X則相應為溫度差、電勢差、壓力差、機械力及轉矩等。通過對變換過程的分析和具體量化，能量廣義表達式可以衍生出不同的表達形式。對于單一現象，其表達形式可以是歐姆電阻定律、牛頓粘滯定律、費克擴散定律、傅里葉導熱定律等。

人類利用能源，往往不是直接利用能源的本身（除了作為工業原料外），而是利用由能源直接或通過轉換而產生的各種能量，如化石燃料通過燃燒將化學能轉變成熱能，然后通過汽輪機將熱能轉換成機械能，再通過發電機將機械能轉換成電能等。[8]在能量的轉換過程中，主要的節點有內能、電能、化學能和機械能。此外，電磁波也是能量在轉換過程中的一個重要表現形式。

三、有效能與節能

熱力學第一定律指出了能量守恒的適用性，1930年由福勒（R.H.Fowler）提出的熱力學第零定律則為能量衡算提供了實驗基準。[9]但依據開爾文（Kelvin）和克勞修斯（Clausius）的說法，熱力學第二定律指出了熱功轉換的不可逆性和不等價性，即所有自發的過程均是不可逆的（熵增原理），這為不同能量間差異的判斷提供了準則。

在高溫熱源向低溫熱源傳熱過程中，卡諾循環給出了所能轉化為功的最大值。對于一個處于特定狀態（P,T）的熱力學系統，可逆變化到環境狀態（P0,T0），理論上所能做出的最大有用功W被認為是有效能，[10]其中基于與環境之間的溫度差和壓力差的有效能叫物理有效能。

此外，通過化學反應也可以從體系中獲得有效能，這種基于與環境間的化學勢差的有效能叫化學有效能。確定每一元素的環境狀態，包括溫度、壓力、物態和組成，規定“不能再用化學手段取出功”的化合物的有效能為零，以此為基準對過程前后化合物的標準化學有效能進行比較，可以計算出相應的有效能。有效能是狀態函數，其在系統總能量中所占的比例，往往也代表了該系統能量的品位。據此可以把能量分為三類[4]：以電能、機械能為代表的理論上能完全轉化為有用功的高質能量；以高溫熱能和化學能為代表的能部分轉化為有用功的低質能量；以海水、地殼等環境狀態中的熱能為代表的不能轉化為功的僵態能量。

在實際生產中，常會遇到能量的損耗問題，這其實是有效能的損耗。過程總能量是守恒的，但由于實際過程的不可逆性，有效能并不守恒，熱力學第一定律所指出的能量守恒實際上是指有效能和無效能之和的守恒。[11]有效能損失在任何不可逆的過程中，且不可逆程度越高，有效能損失得越多。在化工生產過程中，提高能量的利用效率，主要就是提高有效能的利用效率，這也是化工過程節能分析的關鍵。

由于來源的不同，能量在品位上存在差異；由于轉化路徑的不同，有效能的轉化效率會有所區別。有效能效率η可表示為過程中輸出有效能與輸入有效能的比。因此，在實際的能量轉換和傳遞過程中，能量可被利用的程度，除了與過程的性質有密切關系外，還與體系能量所處的狀態、品位有關。根據能量來源和有效能的定義，針對不同的化工過程，通過化工過程能量衡算和有效能分析可以評價能量利用的情況，揭示能量與有效能損失的原因，指明節能的途徑。

四、總結

工業生產的發展推動了人類社會的進步，而能量是推動工業過程實現的客觀動力。能源的開發與使用不僅受到政治、經濟因素的影響，還受到技術、管理水平的限制。在新能源開發和節能減排的社會大背景下，如何實現能源的合理開發和使用，是化工教學中的熱點問題。

教學結果表明，在化工課程學習中就能量分類與節能措施展開討論，能夠有效地激發學生的學習興趣和熱情，可以讓學生樹立起正確的能源開發和利用理念，了解和掌握科學的節能途徑和方法。此外，從化學與化工的視角對現代能源的開發與利用展開介紹和剖析，探討其中交叉滲透的情況，可以培養學生的思維方法，建立更能適應市場經濟發展需要的知識結構，加強學生將相關學科知識結合起來處理實際問題的能力。

［參考文獻］

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［責任編輯：覃侶冰］