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3. 能量的转换与利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。
燃料电池
机械能
氢、酒精等二次能源
电能
辐射能
光电池
发电机
机械
风能、水能、海洋能
机械能
热能 直接利用
煤、石油、天然气
核能
核反应
燃烧 集热器
热机 90％
热 能 直接利用
燃烧
太阳能 光合作用
生物质能 食物利用
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全世界关注的5大问题： 1）能源 2）人口 3）粮食 4）环境 5）资源
能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。
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（3）我国能源利用的现状及主要问题
正常情况下，每个国家能源消费总量及增 长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比， 而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水 平的高低。
（1） 热利用： 烧饭、采暖、烘干、熔炼等；
（2）动力利用： 通过热机将热能转换成机械能 或者再通过发电机转换成电能加以
利用。
由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热 机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有1％ 2％，现代燃气轮机装置的热效率大约只有37％ 42％，蒸汽电站的热效率也只有40％左右。因此， 如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高 热机的热效率，是十分重要的课题。
电能 ：与电荷的运动和积蓄有关的能量； 化学能 ：通过化学反应释放的能量； 核能 ：通过核反应释放的能量； 辐射能 ：物体以电磁波的形式发射的能量。
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2. 能源
能源是指能够直接或间接提供能量的物
质资源。
（1）能源分类
1）按开发利用的情况： 常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。 新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、
据世界银行报导，我国城市空气污染对人体健 康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使农 作物减产每年损失达50亿美元。
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我国的能源建设要走可持续发展的道 路，必须两条腿走路：
（1）合理利用能源，提高能源利用率。 主要途径就是改造或更新技术落后的能源 利用终端设备；
（2）大力开发对环境无污染或污染很小 的新能源，如太阳能、风能、水能、地 热能、海洋能、生物质能以及核能等。
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据统计，目前通过热能形式利用的能源在我 国占总能源利用的90％以上，世界其它各国平均 也超过85％。由此可见，在能量转换与利用过程 中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重 要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源 问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。
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热能利用的基本方式
地热能、 核聚变燃料等。
2）按开发的步骤： 一次能源: 煤、石油、天然气、风能、水能、 太阳能、 地热能、海洋能等。
二次能源: 电力、煤气、汽油、沼气、氢气、 甲醇、酒精等。
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3）按能否再生： 可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、
生物质能、地热能等； 非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。 4）按开发利用过程中对环境的污染情况：
我国每万元GDP的能耗是日本的6倍、美国 的3倍、韩国的4.5倍。
我国单位产品的能耗平均比发达国家高40 ％左右。
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中国与日本工业能耗比较
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0 吨煤/吨钢来自2020/5/11吨煤/吨合成氨
总利用率
中国 日本
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中国发电的平均耗煤量
g / (kW. h) 600
（2）研究方法
工程热力学采用经典热力学的宏观 研究方法，还普遍采用抽象、概括、理 想化和简化处理方法。 （举例说明）
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热机工作过程示意图
过热蒸汽
发电机
锅 汽轮机 炉
乏汽 循环水
冷凝器
高温热源 吸热Q1 作功W
热机 机械能
放热Q2
水泵
冷却水
低温热源
如何提高热机的热能利用率（热效率）是
我国能源利用现状及存在的主要问题： 1）人均储备量少，远低于世界平均水平
原煤：95 吨/人（世界人均 209 吨/人）；
原油：3 吨/人（世界人均 28 吨/人）；
天然气：1416 m3/人（世界人均 28400 m3/人）。
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人均能源消费水平 我国的人均能源消费水平低，并且远低 于世界发达国家的水平：
500
400
300
200
100
0 1960
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1970
1980
1991
1997
中国 世界先进
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3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。
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0-2 热工基础的研究内容
热工基础
（热工理论基础）
工程热力学篇 传热学篇
主要研究内容：
热工基础主要研究热能利用的基 本规律以及热能利用过程及自然界所 有热现象中热量传递的基本规律。
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1.工程热力学的研究内容与研究方法
（1）研究内容
工程热力学主要研究热能和机械能 之间相互转换的规律及提高能量转换经 济性的途径和技术措施 。（举例）
清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；
非清洁能源：煤、石油、天然气等。
（2）能源对人类社会发展的重要意义
能源是人类社会生存的基础，能源的开发和 利用是人类社会发展的动力，能源开发和利用水 平是人类社会文明的重要标志之一。
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能源问题是全世界关注的重大问题，从20世 纪70年代起，就被列入世界5大问题之一。
绪论
0-1 能量与能源 1.能量
能量是物质运动的度量。 世界是由物质构成的，一切物质都处于 运动状态，所以一切物质都具有能量。
能量是人类社会进步的动力。
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能量的主要形式 :
机械能 : 物体的动能与势能； 热能 ：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉
及化学变化和核反应的热力学能，也称为内 热能；
我国大陆地区年总发电量 2.5 亿千瓦，人 均 0.2 千瓦/（人·年）；台湾地区人均 1.0千 瓦/ （人·年）；
欧、美、日本等发达国家 6 千瓦/人·年） 。
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2）能源开发利用设备和技术落后，能源利 用效率低，浪费严重
我国能源的终端利用效率为32 ％ ～33％；
发达国家能源的终端利用效率大于42％。