淺談節(jié)能中的熱力學原理

（天津渤海石化有限公司,天津300452）

搞好節(jié)能，挖掘節(jié)能潛力需要我們了解能量損失的原因及分布、科學用能的基本原則、節(jié)能的方案對策等。熱力學就是研究能量及其轉換的科學，節(jié)能的理論基礎就是熱力學。

能量是物質(zhì)運動的量度，其常見的形式有熱能、機械能、電能、磁能、光能。熱力學第一定律和熱力學第二定律向我們揭示了能量從一種形式轉換至另一種形式的過程中，量和質(zhì)兩方面變化的客觀規(guī)律[2]。熱力學第一定律就是能量轉換和守恒定律，既然能量的“量”是守恒的，我們要節(jié)能，就需要從“質(zhì)”入手。熱力學第二定律揭示了在能量轉換中，能量“質(zhì)”的屬性要下降。例如，機械能轉化為熱能，僅通過摩擦就可以完全轉化，而熱能轉化為機械能是不能完全轉化的。這就表示了能量有“品質(zhì)”的高低之分，在能量的轉換過程中，能量的品質(zhì)是在不斷下降的。節(jié)能的最終目的就是盡量減少能量貶值的現(xiàn)象發(fā)生。本文將簡單闡述節(jié)能相關的熱力學理論作為今后節(jié)能工作的理論基礎。

1 熱力學第一定律和能量衡算

熱力學第一定律指的是能量在轉換和遷移過程中保持總量守恒，對于任何能量轉換系統(tǒng)，可建立能量衡算式。系統(tǒng)儲存的能量包括系統(tǒng)的動能和內(nèi)能。

1.1 對于一個閉口系統(tǒng)，即與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)有：

式中:Q-系統(tǒng)得到的能量；ΔU-系統(tǒng)內(nèi)能變化；W-系統(tǒng)與外界的功量交換。

對于微元過程，式（1-1）也可寫作

1．2 對于一個開口系統(tǒng)，考慮對于微元過程，物質(zhì)的流入和流出有：

式中：m-進入系統(tǒng)的物質(zhì)；n-流出系統(tǒng)的物質(zhì)；h-物質(zhì)的焓。

在工程上，我們可以利用式1-3來計算系統(tǒng)被輸入能量后狀態(tài)參數(shù)的變化或達到相應變化需求的能量。

2 熱力學第二定律和的概念

2.1 熱力學第二定律的闡述

根據(jù)實際經(jīng)驗事實，熱量的轉換有些可以自發(fā)進行，有些則需要有條件的轉換，并且只能部分轉換，能量在使用過程中，雖然總量守恒，但是品質(zhì)是在不斷下降的。熱力學第二定律就是用來闡述能量的轉換方向、條件和限制的，其對節(jié)約能源、提高能源利用效率具有重要的指導意義。

熱力學第二定律的表述有很多種，如：

開爾文表述：不可能從單一熱源吸熱，并把吸入的熱量完全轉化為功而不產(chǎn)生其它變化。

普朗克表述：不可能制造一個機器，使之在循環(huán)動作中把一重物升高，二同時使一熱源冷卻[3]。

卡諾定理：在兩個不同溫度的恒溫熱元件工作的所有熱機，不可能有任何熱機的效率比可逆熱機的效率更高。根據(jù)卡諾定理可以衡量出熱量轉化為做功的效率問題。最簡單的可逆熱機為卡諾循環(huán)，其熱效率為：

此條定理不僅運用于壓縮機、熱泵的設計上，在實際日常裝置運行中也能得到運用，例如在蒸汽透平系統(tǒng)中，透平的效率不僅取決于蒸汽透平本身的狀態(tài)，更取決于動力蒸汽的溫度和凝汽器的溫度，通過降低凝汽器的溫度，可有效提高蒸汽透平的運行效率，節(jié)約動力蒸汽的使用。

能量是否有用，取決于這種能量是否可遷移和轉換，就這一點來看，可將能量分為三類：

第一類，有可完全轉換能力的能量，如電能、機械能等。

第二類，有部分轉換能力的能量，例如熱能，焓等。

第三類，完全沒有轉換能力的能量，利于處于宏觀系統(tǒng)溫度下的熱能。

式中：E收益-運行過程中收益的；E消耗-運行過程中所消耗的。

4 結語