工程熱力學(xué)發(fā)展前沿及動態(tài)

工程熱力學(xué)發(fā)展前沿及動態(tài)一、能源問題能源亦稱能量資源或能源資源。是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機械能等）或可做功的物質(zhì)的統(tǒng)稱。是指能夠直接取得或者通過加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源，包括煤炭、原油、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等一次能源和電力、熱力、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類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種意義上講，人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進能源技術(shù)的使用。 在當今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要問題。自工業(yè)革命以來，能源安全問題就開始出現(xiàn)。在全球經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，國際能源安全已上升到了國家的高度，各國都制定了以能源供應(yīng)安全為核心的能源政策。在此后的二十多年里，在穩(wěn)定能源供應(yīng)的支持下，世界經(jīng)濟規(guī)模取得了較大增長。但是，人類在享受能源帶來的經(jīng)濟發(fā)展、科技進步等利益的同時，也遇到一系列無法避免的能源安全挑戰(zhàn)，能源短缺、資源爭奪以及過度使用能源造成的環(huán)境污染等問題威脅著人類的生存與發(fā)展。開源節(jié)流開源是指開發(fā)新能源如太陽能、核能、水能等，以緩解能源緊張的現(xiàn)狀。節(jié)流是指減少自然資源的消耗，即對現(xiàn)有的自然資源的利用方式上進行改進， 改變現(xiàn)在不合理的利用方式，提高利用效率?？偟膩碚f，開源節(jié)流也就是一方面積極開發(fā)新能源，另一方面還要節(jié)約使用傳統(tǒng)能源，以開發(fā)新能源為主，以節(jié)約能源為輔，創(chuàng)造文明和諧的節(jié)約型社會，促進可持續(xù)發(fā)展。能量的梯級利用由于熱能不可能全部轉(zhuǎn)換為機械功，因而，與機械能、電能相比，其品位較低。熱功轉(zhuǎn)換效率與溫度高低有關(guān)，高溫?zé)崮艿钠肺桓哂诘蜏責(zé)崮?。一切不可逆過程均朝著降低能量品位的方向進行。能源的梯級利用可以提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，是節(jié)能的重要措施。不管是一次能源還是余能資源，均按其品位逐級加以利用。高、中溫蒸汽先用來發(fā)電（或用于生產(chǎn)工藝），低溫余熱用來向住宅供熱。所謂能量品位的高低，是用它可轉(zhuǎn)換為機械功的大小來度量。能源的梯級利用包括按質(zhì)用能和逐級多次利用兩個方面：（1） 按質(zhì)用能就是盡可能不使高品質(zhì)能源去做低品質(zhì)能源可完成的工作；在一定要用高溫?zé)嵩磥砑訜釙r，也盡可能減少傳熱溫差；在只有高溫?zé)嵩?，又只需要低溫加熱的場合下，則應(yīng)先用高溫?zé)嵩窗l(fā)電，再利用發(fā)電裝置的低溫余熱加熱，如熱電聯(lián)產(chǎn)。（2） 逐級多次利用就是高質(zhì)能源的能量不一定要在一個設(shè)備或過程中全部用完，因為在使用高品質(zhì)能源的過程中，能源的溫度是逐漸下降的（即能的品質(zhì)下降），而每種設(shè)備在消耗能源時，總有一個最經(jīng)濟合理的使用溫度范圍。這樣，當高質(zhì)能源在一個裝置中已降至經(jīng)濟適用范圍以外時， 即可轉(zhuǎn)至另一個能夠經(jīng)濟使用這種較低能質(zhì)的裝置中去使用，使總的能源利用率達到最高水平。雖然能源梯級利用是針對發(fā)電和供熱企業(yè)提出的，但可以廣泛地擴展到制冷、深冷、化工、冶金等各種工業(yè)過程，必要時可用熱泵來提高熱源的溫度品位后再利用。不同的企業(yè)對能量的等級要求是不一樣的，可以根據(jù)各用能企業(yè)的能級需求的高低構(gòu)成能量的梯級利用關(guān)系，高能級熱源經(jīng)上一級企業(yè)使用后降為低能級熱源，供給需求低的企業(yè)使用。能量的梯級利用能夠有效地滿足各單位的用能需要，而不增加能源消耗，極大地提高能源利用率。分布式能源系統(tǒng)分布式能源（distributedenergysources是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)。一次能源以氣體燃料為主，可再生能源為輔，利用一切可以利用的資源；二次能源以分布在用戶端的熱電冷（植）聯(lián)產(chǎn)為主，其他中央能源供應(yīng)系統(tǒng)為輔，實現(xiàn)以直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用， 并通過中央能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補充；在環(huán)境保護上，將部分污染分散化、資源化，爭取實現(xiàn)適度排放的目標。分布式能源系統(tǒng)是一種建在用戶端的能源供應(yīng)方式，可獨立運行，也可并網(wǎng)運行，是以資源、環(huán)境效益最大化確定方式和容量的系統(tǒng)，將用戶多種能源需求，以及資源配置狀況進行系統(tǒng)整合優(yōu)化，采用需求應(yīng)對式設(shè)計和模塊化配置的新型能源系統(tǒng)，是相對于集中供能的分散式供能方式。國際分布式能源聯(lián)盟WADE寸分布式能源定義為：安裝在用戶端的高效冷/熱電聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠在消費地點（或附近）發(fā)電，高效利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能--生產(chǎn)熱和電；現(xiàn)場端可再生能源系統(tǒng)包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。國內(nèi)由于分布式能源正處于發(fā)展過程，對分布式能源認識存在不同的表述。具有代表性的主要有如下兩種：第一種是指將冷 /熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式直接安裝在用戶端，可獨立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。能源包括太陽能利用、風(fēng)能利用、燃料電池和燃氣冷、熱、電三聯(lián)供等多種形式。第二種是指安裝在用戶端的能源系統(tǒng)，一次能源以氣體燃料為主，可再生能源為輔。二次能源以分布在用戶端的冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)為主，其它能源供應(yīng)系統(tǒng)為輔，將電力、熱力、制冷與蓄能技術(shù)結(jié)合，以直接滿足用戶多種需求，實現(xiàn)能源梯級利用，并通過公用能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補充，實現(xiàn)資源利用最大化。分布式能源系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：⑴分布式能源具有能效利用合理、損耗小、污染少、運行靈活，系統(tǒng)經(jīng)濟性好等特點。發(fā)展主要存在并網(wǎng)、供電質(zhì)量、容量儲備、燃料供應(yīng)等問題。⑵分布式能源系統(tǒng)分布安置在需求側(cè)的能源梯級利用，以及資源綜合利用和可再生能源設(shè)施。通過在需求現(xiàn)場根據(jù)用戶對能源的不同需求，實現(xiàn)溫度對口供應(yīng)能源，將輸送環(huán)節(jié)的損耗降至最低，從而實現(xiàn)能源利用效能的最大化。⑶分布式能源是以資源、環(huán)境效益最大化確定方式和容量的系統(tǒng)，根據(jù)終端能源利用效率最優(yōu)化確定規(guī)模。⑷分布式能源采用先進的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，盡力減少污染物的排放，并使排放分散化，便于周邊植被的吸收。同時，分布式能源利用其排放量小，排放密度低的優(yōu)勢，可以將主要排放物實現(xiàn)資源化再利用，例如：排放氣體肥料化。⑸分布式能源依賴于最先進的信息技術(shù)，采用智能化監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化群控和遠程遙控技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。同時，也依賴于未來以能源服務(wù)公司為主體的能源社會化服務(wù)體系，實現(xiàn)運行管理的專業(yè)化，以保障各能源系統(tǒng)的安全可靠運行。新能源（可再生能源）工程（一）能源、新能源和可再生資源的含義能源是指人類用來獲取能量的自然資源，即能夠直接或經(jīng)過轉(zhuǎn)換而獲取某種能量的自然資源，可以是物質(zhì)，也可以是物質(zhì)的運動。新能源和可再生能源：即以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開發(fā)與利用，用取之不盡、周而復(fù)始的可再生能源來不斷取代資源有限、對環(huán)境有污染的化石能源，重點在于開發(fā)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮芎蜌淠艿?。新能源和可再生能源在我國指除常?guī)能源和大型水力發(fā)電之外的太陽能、 風(fēng)能、生物質(zhì)能、小水電、海洋能、地?zé)崮芎蜌淠艿取＃ǘ?能源分類按來源不同分類：（1）.來自太陽的能量（包括直接的太陽輻射能外，還包括間接來自太陽能能源，如化石能源、生物能、水能、風(fēng)能、海洋能等）；（2）.地球的本身蘊藏的能量資源（如地?zé)崮?、核能等）；?）.地球與其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量（如潮汐能等）。按形成條件分類：（1）.一次能源：指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然氣、水力、太陽能等）；（2）.二次能源：在一次能源基礎(chǔ)上加工而成的（如電力、汽油、煤氣、沼氣、氫氣等）。按能源的使用與消耗分類：（1）.再生能源：即不會隨它本身的轉(zhuǎn)化或人類的利用而越來越少，如太陽能、風(fēng)能、水力等； （2）.非再生能源：它隨人類的利用而越來越少，如煤炭、石油、天然氣、核燃料等。按開發(fā)使用的程度、技術(shù)狀況分類：（1）.常規(guī)能源：指已被廣泛利用的能源。如煤炭、石油、天然氣、薪柴燃料、水能等； （2）.新能源：指未被廣泛利用、正在研究開發(fā)、有待推廣的能源。如核能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能、生物質(zhì)能等。（三） 新能源類型新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。（1） 太陽能一般指太陽光的輻射能量。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢能等由太陽能導(dǎo)致或轉(zhuǎn)化成的能量形式。（2） 風(fēng)能是太陽輻射下空氣流動所形成的。風(fēng)能與其他能源相比，具有明顯的優(yōu)勢，它蘊藏量大，分布廣泛，永不枯竭，對交通不便、遠離主干電網(wǎng)的島嶼及邊遠地區(qū)尤為重要。（3） 地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕詿崮?，它起于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。（4） 海洋能指蘊藏于海水中的各種可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽度差能等。（5） 生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)，也是太陽能以化學(xué)能形式貯存于生物中的一種能量形式，它直接或間接地來源于植物的光合作用。（6） 核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經(jīng)被人類加以利用用來發(fā)電，而裂變堆的核燃料蘊藏極為有限，不僅產(chǎn)生強大的輻射，傷害人體，放射性核廢料的處理也一直是讓人頭疼的難題。與之相比，核聚變輻射極少，且核聚變?nèi)剂峡梢哉f是取之不盡，用之不竭。二、大氣熱力學(xué)大氣熱力學(xué)是一門應(yīng)用熱力學(xué)原理研究大氣熱狀態(tài)及其熱力過程的學(xué)科。主要是在熱力學(xué)概念和定律的基礎(chǔ)上，來研究大氣的熱狀態(tài)及其熱力過程，如水相平衡與轉(zhuǎn)變過程、大氣中的可逆絕熱過程與不可逆絕熱過程、氣層的靜力穩(wěn)定度及引起靜力穩(wěn)定度發(fā)生的轉(zhuǎn)變過程等等。大氣熱力學(xué)對干絕熱過程的研究開始得最早，主要研究干空氣的氣塊在運動過程中由于壓縮和膨脹引起的溫度變化，得到干絕熱過程溫度遞減率。后來注重到水汽以及與之有關(guān)的凝聚和蒸發(fā)、凝固和溶解等過程對大氣中熱力過程的重要作用，又開始了對潮濕空氣，非凡是飽和濕空氣熱力學(xué)的研究，得到了濕絕熱過程溫度遞減率；建立了表征大氣中水汽含量（包括各種濕度）的溫濕特征以及虛溫度的概念；研究了可逆凝聚和假絕熱過程；還研究了成云致雹各個階段的熱力過程。由于大氣動力學(xué)的基本方程組中包括了氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律，所以大氣動力學(xué)和大氣熱力學(xué)之間有著密切的聯(lián)系熱力學(xué)中發(fā)展的非平衡態(tài)熱力學(xué)是對物理和化學(xué)現(xiàn)象的研究成果，可以認為這些現(xiàn)象是實驗室尺度的物理和化學(xué)現(xiàn)象。他們所研究的熱力系統(tǒng)是以分子為基本粒子的宏觀系統(tǒng)；其耗散過程是分子粘性效應(yīng)而大氣熱力系統(tǒng)是空氣微團組成的地球尺度的宏觀系統(tǒng)；其耗散過程是湍流粘性效應(yīng)；并受重力場和柯氏力等動力因子和熱力層結(jié)的熱力因子控制。因此，需要發(fā)展適合大氣固有特征的熱力學(xué)，把物理、化學(xué)中的非平衡態(tài)熱力學(xué)應(yīng)用到大氣科學(xué)中是學(xué)科發(fā)展迫切要求的。在大氣科學(xué)中，表達熱力學(xué)第一定律的方程是構(gòu)建數(shù)值模式的基本方程， 而熱力學(xué)第二定律在大氣力學(xué)中似乎不占重要地位。實際上熱力學(xué)第二定律表示了一個方向失，即系統(tǒng)的熱力過程是不可逆的，表示了系統(tǒng)運動的時間趨向，具有重要的物理內(nèi)涵。基于熱力學(xué)第二定律，可以在數(shù)值計算中構(gòu)造合理的差分格式，研究表明這種具有物理含意的差分格式確能提高天氣預(yù)報準確率。 從熵平衡觀點來研究氣候系統(tǒng)始于1980年代，1990年代取得了新的進展。如研究氣候常定態(tài)時的熵產(chǎn)生，根據(jù)衛(wèi)星觀測資料計算源于短波輻射和長波輻射的熵通量。 用簡單垂直灰模型研究氣候平衡態(tài)的結(jié)果表明，地球氣候存在一個唯一的氣溫分布和對流-輻射通量分布，它代表了一個最大熵增態(tài)，而這一分布類似于現(xiàn)在氣候。這表示，現(xiàn)在大氣熱通量的全球平均態(tài)以及另一些行星的現(xiàn)有狀態(tài)， 是以其可能最大速率的熵增方式達到穩(wěn)定的。理論熱力學(xué)中非線性熱力系統(tǒng)的最小熵產(chǎn)生定理和穩(wěn)定性判據(jù)都是在小擾動假設(shè)下證明的；可以在更寬的條件下，利用動力學(xué)方程的性質(zhì)證明最小熵產(chǎn)生定理和穩(wěn)定性判據(jù)。理論上指出，最小熵產(chǎn)生的大氣狀態(tài)并非定態(tài)，由于大氣動力過程仍可使大氣流速、溫度和水汽仍處于非定態(tài)之中。最小熵產(chǎn)生的大氣狀態(tài)是系統(tǒng)不存在任何動量、熱量和水汽量的源/匯的熱力學(xué)狀態(tài)，也就是是無源的態(tài)，這和理論熱力學(xué)最小熵產(chǎn)生態(tài)的結(jié)論是不同的。這不但發(fā)展了非平衡態(tài)大氣熱力學(xué)，而且具有理論物理價值。1990年代以來，國內(nèi)外大氣科學(xué)領(lǐng)域?qū)Υ髿忪乩碚撉蠼鉄崃W(xué)方程的?？?普朗克(Fokker-Planek)途徑等方面都進行了有成效的研究，豐富了非線性大氣熱力學(xué)。把動力變量和動力方程變換為熵表達形式，也已有這方面的嘗試，其思路是直接把動力變量類比地看作為一個溫度變量來定義熵函數(shù)的。由于我們對大氣的熱力學(xué)作用和熱力過程了解還不夠，大氣非平衡態(tài)熱力學(xué)理論研究也處在初創(chuàng)期，任重而道遠。1970年代以來，已嘗試從熱力熵理論來建立氣候系統(tǒng)模式，這樣有可能不必在模式中涉及所有尺度上的物理過程而建模。但從熱力-動力熵理論來發(fā)展大氣數(shù)值模式更具有吸引力，因為大氣的動力過程對描寫大氣運動是非常重要的。相信，隨著當今其他學(xué)科的急速進展，特別是物理、化學(xué)和計算數(shù)學(xué)的發(fā)展，在不久的將來，定能在此基礎(chǔ)上建立和發(fā)展突顯熱力學(xué)作用的數(shù)值模式。三、生物熱力學(xué)生物熱力學(xué)也稱宏觀生物力能學(xué)，它廣泛應(yīng)用了物理學(xué)中的熱力學(xué)理論，首先是經(jīng)典熱力學(xué)的基本定律，并用熱力學(xué)參數(shù)來表達數(shù)量關(guān)系。機體利用新陳代謝產(chǎn)生的能量來維持正常生命，從熱力學(xué)角度可定量地測量一個生物化學(xué)反應(yīng)過程或生物過程中一定數(shù)量的能量所能完成的工作。 因此，生物熱力學(xué)可被定義為對機體的生物和化學(xué)過程中與能量相關(guān)的定量研究， 重點是生物化學(xué)反應(yīng)和生物過程中的熱力學(xué)規(guī)律和應(yīng)用，主要內(nèi)容包括 Gibbs自由能和熱力學(xué)平衡等熱力學(xué)規(guī)律以及與熱力學(xué)相關(guān)的研究如機體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換、 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和結(jié)合以及物質(zhì)跨膜輸運等受能量控制的生物化學(xué)反應(yīng)或生物過程。熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，它以大量分子、原子組成的物質(zhì)體系為研究對象，所研究的這種體系被稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)，與系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)量和能量交換的周圍物質(zhì)統(tǒng)稱為環(huán)境，系統(tǒng)與環(huán)境的分界面稱為邊界。系統(tǒng)通過邊界與環(huán)境進行質(zhì)量的交換及熱能和機械能或其它形式能量的傳遞。 總之，熱力學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)，從能量及能量守恒與轉(zhuǎn)化的觀點來分析系統(tǒng)在狀態(tài)變化過程中熱功轉(zhuǎn)換關(guān)系和條件的學(xué)科。經(jīng)典熱力學(xué)定律只適用于孤立體系，而生命體系是一個開放體系，生命過程是一個和外界環(huán)境不斷進行物質(zhì)與能量交換的不可逆過程。近年來不可逆過程熱力學(xué)研究不斷發(fā)展，熱力學(xué)在生物學(xué)中的應(yīng)用大大擴展。例如，經(jīng)典熱力學(xué)難以解釋的“主動轉(zhuǎn)運”過程（離子在細胞膜內(nèi)外對抗?jié)舛忍荻鹊倪\動），用不可逆過程熱力學(xué)就能作出較好的說明。最新的“耗散結(jié)構(gòu)”理論進一步推動了這方面的進展。耗散理論認為：遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)，同樣可以是穩(wěn)定的。這種狀態(tài)的維持，需要不斷有物質(zhì)與能量的供應(yīng)，這種狀態(tài)可以有一定的空間結(jié)構(gòu)，在時間上有一定的運動秩序。而這些正是生命現(xiàn)象的重要特征。人體就是一個耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。人體由于同化和異化的作用，使機體形成一個有序與無序相互作用、相互轉(zhuǎn)化辯證統(tǒng)一的發(fā)展過程。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論的熵增原理，人體系統(tǒng)的有序程度將全將會隨著人體總熵（ds=dis+des）的變化而變化。當人體發(fā)展處于青少年時間，？同化作用是矛盾的主要方面，則負熵流（des）大于熵產(chǎn)生（dis）?，即des〉dis，人體的有序程度則不斷提高，并居于主導(dǎo)地位；進入中年時期，？同化作用和異作用基本趨于平衡，熵產(chǎn)生與負熵滾達到基本一致，即dis也des，？有序程度處于穩(wěn)定狀態(tài)；進入老年時期，異化作用成為矛盾主要方面，人體內(nèi)的熵產(chǎn)生大于負熵流，即 dis〉des，而無序度逐漸提高并居于主導(dǎo)地位，當人體無法同外界是行正常的物質(zhì)和能量交換時，則熵產(chǎn)生達到最大值（閾值），即de=dis時，人體的生命運動隨之終止。人的生命有機體是一個開放系統(tǒng)，必須時刻不停地從外部環(huán)境中級取負熵， 以維持自身有序運動的能力。四、黑洞熱力學(xué)黑洞熱力學(xué)，或稱作黑洞力學(xué)，是發(fā)展于1970年代將熱力學(xué)的基本定律應(yīng)用到廣義相對論領(lǐng)域中黑洞研究而產(chǎn)生的理論。 雖然至今人們還不能清晰地理解闡述這一理論，黑洞熱力學(xué)的存在強烈地暗示了廣義相對論、熱力學(xué)和量子理論彼此之間深刻而基礎(chǔ)的聯(lián)系。盡管它看上去只是從熱力學(xué)的最基本原理出發(fā)，通過經(jīng)典和半經(jīng)典理論描述了熱力學(xué)定律制約下的黑洞的行為， 但它的意義遠超出了經(jīng)典熱力學(xué)與黑洞的類比這一范疇，而將強引力場中量子現(xiàn)象的本性包含其中。黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程，恒星的核心在自身整理的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強力爆炸。當核心中所有的物質(zhì)都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了內(nèi)部的空間和時間。但在黑洞情況下，