再谈能源与能量
节约能源是“碳达峰”与“碳中和”的“本源”性问题。能源与能量这个话题，我在很多企业的培训以及相关会议中都经常提及。在这里，为了普及知识，也为了给后续逐步展开的热工课程做好铺垫，有必要再叙述一下能源与能量的基础知识，并简述一下能量转换过程中的一些通识性的基本问题。
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能源篇
能源的定义
能源这个词，我们耳熟能详，经常听说，也经常使用。目前，国内外公开的权威媒体可以稽考的关于能源的定义可能超过20种。比较有代表性的是：
《科学技术百科全书》中对能源的定义为：能源是可以从其获得热、光和动力之类能量的资源。我国《能源百科全书》定义为：能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。《中国大百科全书·机械工程卷》中能源（Energy Source）亦称能量资源或能源资源，是国民经济的重要物质基础，未来国家命运取决于能源的掌控。能源的开发和有效利用程度，以及人均消费量是生产技术和生活水平的重要标志。
中华人民共和国国家标准《能源管理体系 要求及使用指南》（GB/T 23331-2020）在标准3.5条款“与能源有关的术语”中对能源给出了定义：3.5.1能源（energy）——电、燃料、蒸汽、热力、压缩空气以及其他类似介质。注：就本标准而言，能源包括可再生能源在内的各种形式，可被购买、贮存、处置、在设备或过程中使用以及被回收利用。这个标准使用的举例定义法，所举例子全面地包括了：二次能源、一次能源以及耗能工质。标准将耗能工质（压缩空气）也视为能源。这与上边《能源百科全书》给出的定义内涵相一致。
《大英百科全书》定义能源为：能源是一个包含所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它成为自己所需的能量。《日本大百科全书》定义为：在各种生产生活中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来做功，可利用作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源。
需要注意的是：能源是已开采出来的，可供使用的自然能量资源，也包括经过加工或转换的能量的来源。能源包含耗能工质。尚未开发出来的能量资源只称为资源，不列入“能源”的范畴。能源是自然界中存在的可能为人类利用来获取能量的自然资源，它的范围会随着科学技术的发展而扩大。
能源的分类
根据能源的来源、形态和使用等特点，常用的分类方法有以下六种：
1、按照能源的来源分：来自地球外部天体的能源，主要是太阳能。地球本身蕴藏的能源，如地热能。与原子核反应有关的能源，如核能。地球与其他天体相互作用而产生的能量，如潮汐能。
2、按能源基本形态分：分为一次能源与二次能源。一次能源指从自然界取得的，未经任何改变或转换的能源。如原煤，原油，天然气，生物质能，水能，核燃料，以及太阳能，地热能，潮汐能等。二次能源指由一次能源经过加工，转换成另一种形态的能源产品。包括煤气，焦炭，汽油，煤油，柴油，重油，火电，蒸汽等。
3、按能源可否燃烧分：有燃料型能源和非燃料型能源，前者包括煤炭、石油、天然气和柴薪等。后者包括，水能资源、风能资源、地热能资源以及海洋能资源。
4、按能否污染环境分：有污染型能源和清洁型能源，前者包括煤炭、石油和天然气。后者包括水力、电力、太阳能资源、风能资源以及核能资源（使用阶段）。
5、按照使用的类型分：有常规能源（传统能源）和新能源。传统能源是指在现有经济和技术条件下，已经大规模生产和广泛使用的能源。包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。新能源是相对传统能源而言，指在新技术基础上系统地开发利用的能源，是正在开发利用，但尚未普遍使用的能源。包括太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能以及用于核能发电的核燃料等。核能属于新能源，但不属于可再生能源。
6、按能否补充再生分：分为可再生能源和不可再生能源，前者可以不断在自然界中得到补充或能在较短周期内，再产生的能源。如风能、水能、海洋能、潮汐能和太阳能。不可再生能源，指经过亿万年形成的，短期内无法恢复的能源，随着大规模地开采，其储量会越来越少，最终会导致枯竭，原煤、原油、天然气等均属于不可再生能源。
上述各种能源分类都是相对的，并不绝对。任何一种具体的能源都可因为分类角度不同而兼属于其他类别。例如水能既是一次性能源，又是常规能源，非燃料性能源，还是可再生能源。
能量篇
能量的定义
能量是物体或物质系统做功的能力或做功的本领，是物质运动的量度。对应不同形式的运动，能量可分为许多种，每一种具体的物质运动形式存在相应的能量形式。例如：宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能。而分子运动对应的能量形式为热能。与原子运动对应的能量形式是化学能。与带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能。与光子运动对应的能量形式是光能。当物质运动形式发生变化时，能量的形式同时发生转变。能量也可以在不同形式之间发生传递，如做功或热量传递。
相同运动状态和形式的场景下，不同物体或物质的运动特性可以采用某些特定的物理量来对其进行描述、比较和分析。如两个做机械运动的物体可以用加速度、速度和动量等物理量进行刻画；两股定向运动的电流可以用电流强度、电压和功率等物理量进行描述、比较和分析。
但是当运动形式不同时，两个物体或物质甚至是系统的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量却只有能量。也就是说，能量是一切运动着的物质、物体或系统的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。
能量的基本特点是：自然界一切过程都必须服从能量守恒与转换定律。即在一定的体系内，各种形式的能的总和是一个常数。能量不能被创造，也不能消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
《大英百科全书》对能量的定义如下：
energy, in physics, the capacity for doing work. It may exist in potential, kinetic, thermal, electrical, chemical, nuclear, or other various forms. In the International System of Units (SI), energy is measured in joules. One joule is equal to the work done by a one-newton force acting over a one-meter distance. Energy can be neither created nor destroyed. It can only be changed from one form to another. This principle is known as the Conservation of Energy.
能量的分类
能量大致分为以下六种，具体见下表。
能量的性质
能量的性质可以从以下四个方面进行描述。
1、能量转换的普遍存在性
自然界中的物质存在很多运动形式，各种运动形式之间经常发生转换。物质运动形式的转变必然带来能量形态或类型的转变，不同能量形态或类型是可以相互转换的，即能量具有转换性。研究热能的直接利用，热量传递过程所具有的规律，如何加强或削弱传热，是传热学研究的重点与核心任务。而研究热能间接利用，也就是研究热能和机械能之间的转换以及转换效率提升途径的问题，成为工程热力学的研究核心。从专业课程设置上讲，动力工程与工程热物理专业学习工程热力学和传热学，而其他专业则是学习热工学。
需要引起重视的一个关键问题是：为实现我国“双碳”目标，我国的能源结构，无论从能源的供给侧，还是能源的需求侧都将发生重大变化。主要的体现是由化石燃料转变为绿色电力。供给侧，以风电、光电为主的能源直接产出绿色电能，未来其供应占比将不断提高，这将改变传统的以化石能源产生热能进而生产电能的传统模式，避免了污染和温室气体排放。
相应地，在能源需求侧，将通过工艺变革，设备更新加大对电力设备应用和普及，用电取热，用电制冷，可以彻底避免对化石燃料（天然气）的依赖。
2、能量转换的数量守恒性
追根溯源，能量转换遵循两个最根本的原则，那就是“质能守恒原则”与“最低能量原则”。我们先看“质能守恒”原则。从爱因斯坦狭义相对论的质能方程，E=m×c2，也就是能量等于质量乘以光速的平方，可以知道，由于光速c的平方数值巨大，为9×1016，原子核内发生的质量“缺损”将导致巨大的能量释放（如核爆炸）；相应地，物体里的能量转变成热能传导出去后，物体的能量降低了，也将导致质量的“缺损”但因为光速平方的倒数数值极小，大致为1.1×10-17，所以除了核能以外的领域，能量转换导致的质量变化非常微小，可忽略不计，于是质能守恒简化为能量守恒与质量守恒。
于是我们说，能量转换时，能的总量守恒，既不创造，也不消失，在数量上服从能量守恒定律，即热力学第一定律。在能源使用过程中，常常应用这一定律来考察并研究一个系统的能量收入和支出在数量上的平衡关系。
比如我们在研究热力学问题、传热学问题以及流体力学问题时，常常要列出能量守恒微分方程，以刻画系统的能量变化。一般来说，能量守恒存在以下恒等式：即系统能量的变化等于系统能量的收入，加上内部能量的增加，减去系统能量的支出。
按照热力学第一定律：系统吸收热量为正，放出热量为负，热量用Q表示；系统对外做功为正，对内做功为负，功用W表示；热力学能变化，增加为正，减少为负，用△U表示。于是热力学第一定律基本方程为：Q=W+△U，即赋予系统的热量等于系统对外做出的功量加上系统内部热力学能的增量。于是这三种能量的转换可以有以下六类情况。
3、能量转换的条件限制性
能量的大小，一般用做功能力衡量。所有的功（机械功、电功）都可以转化为能量，但是并不是所有的能量都可以转化为功（一般指机械功），起码是在一定条件下部分转换。能量转换的条件限制性是由于能量存在品质上的差异。
各种能量不可能无条件的相互转化。如机械能可以全部转化成热能，而热能却不能无条件地转换为及机械能。高温物质系统中的热能可以自动转化为低温状态，而低温物质系统却不能自动地无条件地转化成高温状态。
4、能量传递的贬值伴随性
能量的传递性是指在系统经历状态变化过程中，系统通过边界，可以借助做功或传递热量的方式向环境（系统外部）传递能量。通俗地说，能量可以从一个地方传递到另一个地方，也可以从一种物质传递到另一种物质（系统内部或系统之间）。各种形态或类型的能量既存在数量（可加和）差别，也同时存在品质（高低品位）上的不同。
也就是说，能量传递过程中，由于多种不可逆和不可控因素的存在，能量损失不可避免，也就是能量的质量或品位的降低，即做功能力（㶲）的下降，直到无法或失去利用的价值，变为废能（㷻）。不知道您想起来上文提到的那两个最根本的原则中的那个 “最低能量原则”没有？
最低能量原则是指，任何能量总是具有自发向着比其能量状态更低的状态进行转变的趋势，而低能状态相对于高能状态更加稳定。这就是热力学第二定律，也称熵增定律。
有了以上的论述，我们就容易理解，为什么高温物质也就是处于高能态的物质，总是自发地向低能状态的低温物质传热，而我们在热工课程里讨论的传导换热和对流换热的本质和根源其实也是热力学第二定律。
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