緒論-能源利用與人類文明課件完整版

熱工基礎(chǔ)緒論——

熱工-能源科學(xué)與人類文明能源與動(dòng)力工程學(xué)院韓偉2016.6.29目錄

一、能源與人類文明

二、能源變遷與人類科技創(chuàng)新

三、能源的囧時(shí)代

四、未來之問我們的時(shí)代--激動(dòng)人心、生機(jī)勃勃互聯(lián)網(wǎng)、化學(xué)、核科學(xué)、宇宙學(xué)、新材料、引力波蓬勃發(fā)展，在手機(jī)上上網(wǎng)、查資料、看電影……人類對自然界的認(rèn)識達(dá)到了前所未有的高度，可是我們向前發(fā)展所需的能源之路卻很迷?！覀冋锰幱谝粋€(gè)依靠燃燒石油、天然氣、煤炭的后化石能源時(shí)代與可再生能源可能占主流的未來時(shí)代，但可再生新能源的可靠性能否保證人類未來的需求，我們作為能量轉(zhuǎn)化與利用的專業(yè)，我們需要做些什么？能源能源：自然界中可以釋放出某種形式的能量的自然資源。能源的種類：太陽輻射能（化石燃料能源、生物質(zhì)能源、風(fēng)能、水能、海洋能）（電磁力）地能（地?zé)崮埽?（萬有引力）核能（原子能）——核能（強(qiáng)核力、弱核力）引力能（潮汐能）——萬有引力一、能源與人類能源存在于自然界并隨著人類智力的發(fā)展而不斷地被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)利用。每一種新能源的發(fā)現(xiàn)和利用，又強(qiáng)有力地推動(dòng)了人類文明的發(fā)展，因此能源的變遷史同人類社會(huì)文明發(fā)展史緊緊聯(lián)系在一起的?！茉词侨祟惿鐣?huì)發(fā)展的動(dòng)力，它推動(dòng)并困擾著人類文明繼續(xù)向前發(fā)展。二、能源變遷與人類文明發(fā)展能源革命：

人類歷史上關(guān)于能源的開發(fā)和利用方式上的重大創(chuàng)新——導(dǎo)致了人類文明的進(jìn)步。三次能源革命-科技創(chuàng)新的標(biāo)志：

鉆木取火

蒸汽機(jī)的發(fā)明核能的利用鉆木取火（化學(xué)能—熱能）鉆木取火是人類在能量利用方面最早的一次科技創(chuàng)新。從利用自然火到利用人工火的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了以柴薪作為主要能源的時(shí)代的到來，這就是人類的第一次能源革命?；鸬陌l(fā)現(xiàn)和利用是人類有意識利用能源的開始，也是人類文明的起源。人類祖先原始人的生活“刀耕火種”原始農(nóng)業(yè)采集野生果實(shí)“刀耕火種”原始農(nóng)業(yè)原始冶金金屬時(shí)代石器時(shí)代銅器時(shí)代——鐵器時(shí)代蒸汽機(jī)的發(fā)明（化學(xué)能—熱能-機(jī)械能）“木材危機(jī)”：隨著文明發(fā)展，生產(chǎn)力的提高，人口增多，對木材需求出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。歐洲曾是世界工業(yè)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。早在16世紀(jì)文藝復(fù)興時(shí)期，由于農(nóng)業(yè)、手工業(yè)、商業(yè)、遠(yuǎn)航貿(mào)易的發(fā)展增加了木材的砍伐量，引起森林濫懇濫伐。到16世紀(jì)后期，在英國在整個(gè)歐洲，作為主要熱能來源的木材奇缺，供不應(yīng)求，價(jià)格暴漲。16世紀(jì)發(fā)生于歐洲的“木材危機(jī)”迫使人們用煤代替木材作為主要能源。

為什么沒有將煤炭的開發(fā)利用作為第二次能源革命的標(biāo)識？蒸汽機(jī)與第一次工業(yè)革命（化學(xué)能—熱能-機(jī)械能）偉大！1784年，瓦特的蒸汽機(jī)已裝上曲軸、飛輪，活塞可以靠從兩邊進(jìn)來的蒸汽連續(xù)推動(dòng)，再不用人力去調(diào)節(jié)活門，世界上第一臺真正的蒸汽機(jī)誕生了。梅多可利發(fā)明的機(jī)車模型第一次工業(yè)革命（社會(huì)化大生產(chǎn)）交通運(yùn)輸富爾頓“克萊蒙特”號在哈得孫河上史蒂芬孫的蒸汽機(jī)車第一次工業(yè)革命（社會(huì)化大生產(chǎn)）采礦紡織第一次工業(yè)革命（學(xué)科大發(fā)展）牛頓經(jīng)典力學(xué)—萬有引力、三大定律熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)—能量守恒與轉(zhuǎn)換定律機(jī)械工程：蒸汽機(jī)、紡織機(jī)、采礦機(jī)械、機(jī)車、汽船……流體力學(xué)：歐拉方程、伯努利方程、納維-斯托克斯方程控制工程：蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速和氣門的反饋控制（飛輪、離心擺）電磁學(xué)：法拉第電磁感應(yīng)、麥克斯韋電磁方程生物學(xué)：施萊登和施旺的細(xì)胞學(xué)、達(dá)爾文進(jìn)化論化學(xué)：門捷列夫化學(xué)元素周期率原子科學(xué)：倫琴射線第二次工業(yè)革命核能的可控利用—第三能源革命核能利用的理論基礎(chǔ)：質(zhì)能方程—揭開“上帝”造物密碼的一角。薛定諤量子波動(dòng)方程——上帝掌控微觀世界運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一角。牛頓萬有引力方程—揭開上帝掌控宏觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一角。核能利用的原理——核裂變與核聚變核能利用的過程——核電與核爆能源的利用與熱科學(xué)熱動(dòng)力（我們的專業(yè)和學(xué)科）化學(xué)能——熱能——機(jī)械能——電能——其它電磁力（電磁力推進(jìn)）水力、風(fēng)力（重力-萬有引力）能源與動(dòng)力工程專業(yè)（原熱能與動(dòng)力工程）四個(gè)專業(yè)及學(xué)科方向：（1）以熱能轉(zhuǎn)換與利用系統(tǒng)為主的熱能動(dòng)力工程及控制方向(含能源環(huán)境工程、新能源開發(fā)和研究方向)——工程熱物理過程及其自動(dòng)控制（2）以內(nèi)燃機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車工程，船舶動(dòng)力方向——?jiǎng)恿C(jī)械及其自動(dòng)化（3）以電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功為主的流體機(jī)械與制冷低溫工程方向——流體機(jī)械及其自動(dòng)控制；（4）以機(jī)械功轉(zhuǎn)換為電能為主的火力火電和水利水電動(dòng)力工程方向——電廠熱能工程及其自動(dòng)化能源的囧時(shí)代我們目前處于一個(gè)什么形式的能源供給時(shí)代？石油等化石能源危機(jī)新能源（風(fēng)、光、生物質(zhì)）能量密度低、規(guī)?；蛔恪⒓夹g(shù)不成熟（海洋能）核能風(fēng)險(xiǎn)依然較大、廢料處理很難能源之“囧”何來之囧全球人口的急劇膨脹，人類的能源消費(fèi)大幅度增長。全球化石能源探明儲量可支撐人類發(fā)展的時(shí)間期限將至世界上的石油、天然氣和煤等生物化石能源將在幾十年至200年內(nèi)逐漸耗盡。能源的囧時(shí)代石油危機(jī)“在總的石油貯量中，10500億桶石油業(yè)已消耗，另外7000億桶是已發(fā)現(xiàn)的探明儲量。還有3500億至7500億桶石油有待發(fā)現(xiàn)，到2059年當(dāng)世界上第一口油井開鉆180周年之際，世界石油大概所剩無幾了?！笔烷_采的時(shí)間不過150年歷史，使我們已經(jīng)感到“石油枯竭”的威脅，我們今天所說的“能源危機(jī)”實(shí)際上是“石油危機(jī)”。能源的囧時(shí)代生態(tài)破壞能源的囧時(shí)代核泄漏、污染切爾諾貝利核泄漏日本福島核泄漏新能源的探索新能源的探索—風(fēng)電新能源的探索—光電、光熱新能源的探索—地?zé)岬責(zé)嵝履茉吹奶剿鳌镔|(zhì)能新能源的探索—海洋潮汐、波浪、洋流能新能源的探索—海洋溫差、鹽差能可從海洋溫差中獲取能量的發(fā)電廠計(jì)劃建在中國一個(gè)度假勝地的海岸附近。這個(gè)10兆瓦的海洋熱能轉(zhuǎn)換工廠將成為世界最大的海洋熱能廠，可為全球類似的熱能廠鋪平道路，有助于滿足全球?qū)煽靠稍偕茉慈找嬖黾拥男枨蟆＿@個(gè)工廠計(jì)劃由洛克希德-馬丁公司和中國華彬集團(tuán)共同建造。新能源之“囧”風(fēng)電太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定（能量輸出的不連續(xù)性）——棄風(fēng)、棄電新能源之“囧”風(fēng)電太陽能發(fā)電的規(guī)模性（能量輸出的密度低）——生產(chǎn)轉(zhuǎn)化占地面積偏大生產(chǎn)轉(zhuǎn)化元件代價(jià)高——輸入輸出差值小、污染大工作介質(zhì)及其能量不易直接儲存，轉(zhuǎn)化后的存儲技術(shù)難度目前尚未克服。新能源之“囧”的破解之道二次轉(zhuǎn)化：抽水蓄能、壓氣蓄能、制氫全球最大容量風(fēng)電制氫工程—沽源風(fēng)電制氫項(xiàng)目多能互補(bǔ)提高轉(zhuǎn)化效率新能源之“囧”的破解之道人類能源的未來之問第一，必須足夠豐富，可以保證長期使用；第二，必須足夠便宜，可以保證多數(shù)人用得起；第三，相關(guān)的技術(shù)必須成熟，可以保證大規(guī)模使用；第四，必須足夠安全、清潔，可以保證不會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境。人類未來能源必須滿足的條件：?--形成能量的勢差必須足夠大，引力場、電磁力、弱核力、強(qiáng)核力.人類未來能源的希望核爆聚變電站海洋能——天然氣水合物（可燃冰）高能量密度的未來能源-核聚變“ARC”核聚變反應(yīng)堆

托卡馬克式反應(yīng)堆是所有最有前途的核聚變反應(yīng)堆之一。托卡馬克式系統(tǒng)是一種像油炸圈餅樣的環(huán)形真空室。燃料在其中被加熱到1.5億攝氏度以上，形成熾熱等離子體。然后利用超強(qiáng)磁場驅(qū)動(dòng)等離子體離開安全殼內(nèi)壁。在安全殼的周圍有一圈超導(dǎo)線圈，負(fù)責(zé)產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。然而，到目前為止，這種線圈是所有核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案中的一大技術(shù)瓶頸“ARC”核聚變反應(yīng)堆利用氘和氚兩種氫原子?？茖W(xué)家首先將氘和氚注入到反應(yīng)堆的安全殼內(nèi)，然后為其提高能量使得電子脫離宿主原子，形成等離子體，這一過程會(huì)釋放巨大的能量?？茖W(xué)家表示，如果這一技術(shù)能夠得以完善，它將能夠提供無窮無盡的能量，從此徹底解決全球能源危機(jī)。中國可控核聚變EAST實(shí)驗(yàn)裝置已領(lǐng)先世界（合肥）中國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST和中國、美國、俄羅斯等七方共同啟動(dòng)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER都是旨在創(chuàng)造一個(gè)“太陽”，給人類帶來源源不斷的清潔能源，因此也俗稱“人造太陽”。EAST既定科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1億度1000秒的等離子體放電。目前中國“人造太陽”EAST物理實(shí)驗(yàn)獲重大突破，實(shí)現(xiàn)在國際上電子溫度達(dá)到5000萬度持續(xù)時(shí)間最長的等離子體放電，標(biāo)志著中國在穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究方面繼續(xù)走在國際前列。高能量密度的未來能源-核聚變?nèi)祟惸茉吹奈磥碇啡祟悓κ澜绲恼J(rèn)識高度決定了人類對自然界能源的利用形式和種類人類能源的發(fā)展之路火的發(fā)現(xiàn)——熱能——木材——薪材人類的活動(dòng)范圍逐漸從地表延伸到地下，發(fā)現(xiàn)了豐富的煤炭資源——可燃——熱能——蒸汽機(jī)——工業(yè)文明發(fā)現(xiàn)了豐富的石油、天然氣資源——可燃——熱能、化學(xué)能——內(nèi)燃機(jī)——工業(yè)文明大發(fā)展通過蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力難以在較大的空間范圍內(nèi)隨意傳遞，只能圍繞一臺動(dòng)力機(jī)械進(jìn)行小范圍、小規(guī)模的生產(chǎn)。電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，為隨后發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)，以及變壓器、電站、低壓電網(wǎng)和超高壓電網(wǎng)等一系列技術(shù)裝備的發(fā)明及廣泛應(yīng)用提供了條件，開啟了第二次工業(yè)革命，迎來了電磁動(dòng)力新時(shí)代。兩次工業(yè)革命的能源基礎(chǔ)——化石能源的發(fā)現(xiàn)和利用，滿足了工業(yè)文明對能源的巨大需求，但其儲量有限，不可再生，終究會(huì)枯竭，同時(shí)也催生了環(huán)境破壞、氣候變化、安全事故等一系列嚴(yán)重問題。量子力學(xué)的發(fā)展促使核能被人類發(fā)現(xiàn)………

能源變遷與人類文明發(fā)展一是從被動(dòng)到主動(dòng)。我們對能源的利用，最早是以“靠天吃飯”的方式被動(dòng)獲取。即采集植物和狩獵動(dòng)物以獲取它們本身含有的能量。后來，通過認(rèn)識和利用火，包括引用自然火種和鉆木取火，人們對能源的利用從被動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為有意識的主動(dòng)。后來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，能源利用逐漸主動(dòng)轉(zhuǎn)移到煤炭和石油，乃至之后的核能、太陽能、風(fēng)能、水能等新的能源形式上。

二是從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明。人類從用火山和閃電留下來的火種取火，到掌握鉆木取火歷經(jīng)的時(shí)間數(shù)以萬年。而從1820年荷蘭人漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)，到法拉第用磁棒來回進(jìn)出金屬線圈制造電力僅僅歷經(jīng)了11年。偶然的發(fā)現(xiàn)是小概率事件，需要等待漫長的時(shí)間，同時(shí)只能發(fā)現(xiàn)比較單一的規(guī)律。試驗(yàn)發(fā)明是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的過程，同時(shí)又有更加明確的目的性和研究方向，大大縮短了發(fā)明的時(shí)間。

能源變遷與人類文明發(fā)展能源變遷與人類文明發(fā)展三是從“膚淺”到深遠(yuǎn)。在采獵文明和農(nóng)耕文明時(shí)期，我們就地取材，在視線所及范圍內(nèi)行動(dòng)。在工業(yè)文明時(shí)期，能源利用的目光穿透地層，地下的煤炭、石油和天然氣，將來外星球開采，都成為文明前行的重要?jiǎng)恿碓?。隨著技術(shù)的進(jìn)步，能源形式開始從有形轉(zhuǎn)為無形，電能開始得到普遍使用，核能、太陽能、可燃冰和地?zé)崮艿乳_始進(jìn)入我們的視野。

總之，我們對能源的利用是從小聰明逐步過渡到大智慧的過程。在農(nóng)耕文明時(shí)期，人們利用畜力靠馬車等出行。進(jìn)入工業(yè)文明時(shí)期，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)讓能源變得更加豐富和強(qiáng)勁。后來，混合能源又開始被使用，再后來，能源形式進(jìn)一步更新，燃料電池、混合動(dòng)力、氫能源動(dòng)力和太陽能等發(fā)展迅猛。隨著文明的演進(jìn)，生產(chǎn)技術(shù)水平的提升，主流能源形式中所蘊(yùn)含的人類智慧元素比重越來越大。能源與動(dòng)力學(xué)科和專業(yè)的責(zé)任——任重而道遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)未來可長期供應(yīng)的能源傳承接力維系發(fā)現(xiàn)化石能源之光即將熄滅之際能源與動(dòng)力學(xué)科和專業(yè)的責(zé)任——任重而道遠(yuǎn)發(fā)明設(shè)計(jì)未來能源能量轉(zhuǎn)化的流體機(jī)械當(dāng)前——提高能量轉(zhuǎn)化效率。發(fā)現(xiàn)2023/3/2950熱能利用的基本方式（1）

熱利用：燒飯、采暖、烘干、熔煉等；（2）動(dòng)力利用：

通過熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或者再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能加以利用。

由于熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的有效利用程度（即熱機(jī)的熱效率）較低，早期蒸汽機(jī)的熱效率只有1％2％，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)裝置的熱效率大約只有37％42％，蒸汽電站的熱效率也只有40％左右。因此，如何更有效地實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，提高熱機(jī)的熱效率，是十分重要的課題。2023/3/2951熱工基礎(chǔ)的研究內(nèi)容

熱工基礎(chǔ)（熱工理論基礎(chǔ)）工程熱力學(xué)篇傳熱學(xué)篇主要研究內(nèi)容：

熱工基礎(chǔ)主要研究熱能利用的基本規(guī)律以及熱能利用過程及自然界所有熱現(xiàn)象中熱量傳遞的基本規(guī)律。

2023/3/29521.工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容與研究方法（1）研究內(nèi)容

工程熱力學(xué)主要研究熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)性的途徑和技術(shù)措施

。（舉例）（2）研究方法

工程熱力學(xué)采用經(jīng)典熱力學(xué)的宏觀研究方法，還普遍采用抽象、概括、理想化和簡化處理方法。

（舉例說明）2023/3/2953熱機(jī)工作過程示意圖高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)作功W機(jī)械能放熱Q2低溫?zé)嵩村仩t汽輪機(jī)冷凝器水泵冷卻水過熱蒸汽乏汽循環(huán)水發(fā)電機(jī)

如何提高熱機(jī)的熱能利用率（熱效率）是工程熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容之一。2023/3/29542.傳熱學(xué)的研究內(nèi)容與研究方法（1）研究內(nèi)容傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律。

所謂熱量，是指在溫差的作用下傳遞的熱能的數(shù)量。由于在人們的日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中溫差幾乎