节能意识在“工程热力学”教学中的渗透

摘要：“工程热力学”是研究热能与机械能相互转换规律和提高转换效率途径的课程，是建立节能理论的基础。通过对我国能源及其利用现状的介绍，增强学生对我国能源问题的忧患意识和责任意识。通过热能利用在整个能源利用中地位的阐述，使学生认识研究热能利用和学习“工程热力学”的重要性，向学生渗透节能意识教育。

关键词：节能；工程热力学；热力学基本定律

作者简介：刘清欣（1977-），女，河南南阳人，华北水利水电学院电力学院，讲师。（河南 郑州 450011）

基金项目：本文系华北水利水电学院青年科研基金资助项目（项目编号：HSQJ2009020）的研究成果。

中图分类号：G642.3     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）12-0187-02

能源在社会可持续发展中起着决定性的作用，人们的生产生活都离不开能源。目前一次能源如石油、天然气和煤等还占主导地位，但其已探明的可开采储量很有限，而且其使用给全球气候和环境造成的污染和危害也日益严重。节能已经成为解决能源问题的重要途径之一。

一、节能在我国社会发展中的作用

能源占有量是衡量一个国家综合实力的重要指标。能源合理、高效、可持续性利用，能源利用的新技术、新方法是科研人员探索的一个主题。化石能、核能、太阳能、风能、潮汐能、生物质能、地热能等多种能源储藏的形式、提炼显示出国家的科学和技术水平。而我国已探明的石油可开采储量为32.74亿吨，可开采15～20年；探明的天然气可开采储量为11704亿立方，可开采28～58年；探明的煤炭可开采储量为1145亿吨，可开采54～81年。我国人口众多，人均拥有量远低于世界平均水平，煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量分别只有世界平均水平的58.6％、7.69％和7.05％。另一方面，能量的不合理利用已经对地球环境造成了严重的热污染。每年因为人类过度利用能量的增加，地球与太空的热交换已失去平衡，冰山融化、海平面上升、大气平均的温度持续攀升、陆地沙漠化迹象加剧，这一切都在威胁着人类居住的环境。

我国已成为世界第二能源消费大国，能源年消费量已超过了13亿吨标准煤。能源和能源消费引起的环境问题已成为制约我国可持续发展的重要问题之一。目前，全国能源利用效率约为32％，比先进国家约低10个百分点。考虑开采、输送后我国能源系统总效率不到10％，不足发达国家的一半，这意味着90％左右的能源资源在生产、加工转换、输送、储存和终端利用过程中损失和浪费掉了。与发达国家相比，我国能源利用效率还很低，节能潜力有待深入挖掘。从这个意义上说，可以认为节能是第五种能源（煤、油、再、核）。2005年，在党的十六届五中全会上，首次将“节约资源”与“保护环境”作为基本国策写入了《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中，并将单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、单位工业增加值用水量降低30%作为“十一五”时期经济社会发展的主要约束性指标。节能任重道远，是每个公民义不容辞的责任。做好节能工作，进一步提高节能意识至关重要。

二、节能与“工程热力学”的关系

热力学基本定律构成了节能的理论基础。热现象是自然界中最普遍的物理现象，各个工程技术领域及日常生活中的各种其他形式能量最终大都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中。“工程热力学”的研究对象主要是能量转换，特别是热能转化成机械能的规律和方法以及提高转化效率的途径，以提高能源利用的经济性。

热力学第一定律从数量角度解释了节能的基本原理。热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象中的应用，它确定了热力系统与外界交换能量时各种形态能量数量上的守恒关系。既然自然界的能量是守恒的，为什么还要节约能源？从第一定律的角度分析，虽然能量守恒，但是有些能量是不便于被利用的，比如环境物质的热力学能过程中耗散的能量。而目前人类所依赖的煤、石油和天然气是不可再生的，在没有寻找到合适的替代能源之前就必须从数量上节约。但仅从数量上节约是不够的，要合理用能就需要考虑能量的品质。

热力学第二定律从品质角度奠定了节能的基本思路。热力学第二定律说明与热现象有关的过程能够进行的方向、条件和限度，指出不同形式的能量品质是不同的。所谓品质是指其做功能力。就能源和资源来说，物质不灭，但质量在递减；能量守恒，但品质在下降。节能不仅体现在数量上的节约，更体现在质量上的节约。在能保证相同效果的前提下，尽可能多地利用低品质能源。任何能量交换必须同时满足第一定律和第二定律，热力学第二定律是方向性定律，它弥补了热力学第一定律只考虑能量守恒不考虑过程的方向性。热力学第二定律是现代节能理论的精髓，对各种工程建设和生活节能具有极其重要的理论指导意义。

与国外相比，我国目前工业产品能量的单位平均能耗要高40%左右，节能的潜力很大。因此，无论从电力的生产、能源的节约以及工业生产过程的本身特点来看，工科学生应该具备合理用能、节能的意识并懂得其基本的技术，而“工程热力学”课程的内容是合理用能及节能理论中最基础与核心的部分。

三、在“工程热力学”教学中培养节能意识

如前所述，节能意识是社会文明和进步的重要标志，是建设节约型社会的思想基础。大学生是公众中具有较高文化层次的社会群体，其节能意识直接影响着社会节能意识的水平，对整个社会的节能氛围有重要的示范和引导作用。因此，建设节约型社会一个最直接、现实和有效的途径就是培养大学生的节能意识。“工程热力学”与节能间的紧密联系使得在“工程热力学”教学中培养学生的节能意识具有天然的优势。

从“工程热力学”的研究对象可以看出，能量最终大都是以热能的形式耗散于环境之中，因此，节约能源的机会几乎随处可见。针对我国目前的能源现状，在教学中提出“节能从我做起，从节约一度电做起”。每节约1度电可减少排放0.997kgCO2、0.003kgSO2、0.015kgNO2和0.272kg粉尘，而且还可节约4升净水。日常生活中节约电的有效可行方法有尽可能利用太阳光和节能灯、遇到“长明灯”等浪费电的现象能主动采取节约行动或劝阻他人的浪费行为、在关闭计算机和电视机等电器后及时拔下插头以减少待机能耗、夏天使用空调时温度设定在26℃等方法。请学生计算每人节约1度电可以少造成多少污染，少排放多少CO2、SO2、NO2和粉尘，还可以节约多少升净水。如果按全国在校2000万大学生平均每人每学期节约5度电计算，总共可以节煤多少吨？（按1度电400克煤耗计算）少造成多少污染？通过进行实例计算来培养学生日常生活中的节能意识。

在讲解热力学基本定律时，在课堂教学中增加实例来帮助学生理解节能与热力学基本定律的关系。例如，请学生分析比较空调供暖和电炉取暖哪种方式节省能量。由热力学第二定律可知，要实现热量从低温物体传向高温物体的目的就必须消耗外功，这正是制冷装置的工作原理。如图1所示。

分析如下：空调供暖是通过消耗外功W，利用制冷循环从外部环境吸热Q2，室内可得到的热量Q1；根据热力学第一定律Q1= Q2+W；而电炉取暖只是输入的电能W直接转换成等量的热能。要取得同样多的热能，自然电炉消耗的电能更多，从而使学生理解为什么用空调机取暖更节能。进一步引导学生思考有没有更节能的取暖方法。从能量品质来说，电能是高级能量，可以100%转化为机械能；如果能使用低品质的能量替代电能来达到目的，也是节能的一种方法。一直提倡能量的梯级利用就是基于这种思想，把低品质的能量也充分利用起来，比如热电冷联供、余热锅炉等。通过分析启发学生如何才能合理用能。

热力学第二定律对节能提供了另一个视角——熵。与能量不一样，熵是不守恒的。由于实际过程的不可逆性，孤立系的熵只增不减。虽然无法逆转熵的递增趋势，就像无法逆转时间一样，但可以采取行动减缓熵增的速率和改变熵增的方式来提高能量的利用率。在讲授动力循环时详细分析提高其循环效率的途径，如充分利用热循环过程中的低品位能量；减少热传递过程中的温差损失，提高吸热的平均温度，降低向环境放热的温度，使其靠近环境温度；尽量减少各类不可逆损失。在动力循环中采用分级加热，是减少加热过程中的温差来减少熵产；采用回热是充分利用排气余热提高燃烧室的工质进口温度，最大幅度地提高吸热温度，从而提高循环效率。当然，在考虑提高效率的同时还要考虑系统的投资回报以及环境污染问题。例如，大型发电机组广泛采用一次再热与多级回热的循环，是因为这样工质在锅炉中的吸热减少，锅炉热负荷减少，受热面减少，节约金属材料；而汽耗量增加，汽轮机高压缸的蒸汽流量增加，而低压缸因抽汽而流量减少，有利于叶片布置，克服了第一级叶片太短、最末一级叶片太长的弊端；由于进入冷凝器的乏汽量减少，可减少冷凝器的换热面积，节省铜或合金钢。使学生明白节能是系统工程，要做到全局考虑。

通过实例分析让学生知道能量的品质是热力学第二定律的实质问题。让学生懂得只有通过学习应用热力学第二定律才能指导按质用能，真正可以在生产生活中有效节约能源，使学生能站在用能的整体高度，应用之前学过的基本概念、基本理论对用能过程和典型用能装置进行节能分析和节能诊断。在课堂教学中以丰富生动的实例来激发学生的听课兴趣，进行启发式教学，争取在有限的课堂教学时间内使课堂知识转化为学生自觉的节能意识。

四、结束语

普及能源知识、强化节能意识是实现人类社会可持续发展的主要途径。大学生的节能意识对整个社会的节能意识有很重要的示范和引导作用。通过教师在课堂教学中的身传言教，结合“工程热力学”课程的教学内容来提高学生日常生活及今后工程实践中的节能意识，养成可执行的节能行为习惯和生产生活方式以及科学的能源消费方式。

参考文献：

[1]童钧耕.“工程热力学”课程教学改革的几点看法[J].中国电力教育,2002,(4).

[2]吴吁生,邢改兰.“工程热力学”课程教学改革[J].化工高等教育,2007,(5).

[3]顾炜莉,刘泽华,柳建祥.以节能减排意识培养为导向的工程热力学教学研究[J].高等建筑教育,2010,(6):64-67.

[4]吴志功.国外能源教育发展现状研究[J].中国电力教育,2007,(12).

（责任编辑：王祝萍）

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