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火的奥秘燃烧和火的利用火的奥秘：燃烧和火的利用火是一种普遍存在于我们生活中的物质，它既可以带来光明和温暖，又可能引发灾难。
燃烧是火产生的基本过程，而人类利用火的历史可以追溯到数千年前。
本文将探讨火的燃烧机制和火的利用方式。
一、火的燃烧机制火的燃烧是一种化学反应，通常需要燃料、氧气和能量。
当这三个要素结合时，燃料会发生氧化反应，产生火焰、热量和废气。
1. 燃料燃料是火的来源，它可以是固体、液体或气体。
常见的燃料包括木材、石油、天然气等。
不同的燃料有着不同的燃烧特性，其中木材是最早被人类利用的燃料之一。
2. 氧气氧气是使燃料燃烧的气体，它存在于空气中，并与燃料接触后参与燃烧反应。
氧气使燃料分子中的键断裂并与氧形成新的化学键，释放出能量。
3. 能量能量是燃料燃烧所需要的外部刺激，常见的能量源包括火种、电火花、摩擦等。
在能量的刺激下，燃料分子被激活，导致氧化反应的进行。
二、火的利用火的利用是人类文明发展的重要里程碑之一，它影响了人类社会的方方面面。
以下是一些典型的火的利用方式。
1. 烹饪烹饪是最早被人类利用火的方式之一。
使用火源加热食物可以改变其质地、口感和味道，提高食物的可消化性和可口性。
烹饪技术的发展使人类能够烹制出各种美味佳肴。
2. 暖房取暖火的热量可以为人们提供温暖，因此在冷地区或寒冷季节，火被广泛用于取暖。
人们利用火炉、壁炉等装置将燃料燃烧产生的热量转化为室内热能，提供舒适的生活环境。
3. 工业生产火在工业生产中扮演着重要角色。
例如，燃烧炉可以为冶金、玻璃、陶瓷等行业提供高温环境，促进原料的熔化和化学反应。
同时，火还被用于发电厂、化工厂等大型工业设施中，以产生动力、热能和电力。
4. 照明火的明亮和温暖是人们进行照明的重要来源。
在电气照明之前，人们使用蜡烛、油灯等火源进行室内照明。
火的光亮效果不仅能照亮房间，还可以创造出温馨浪漫的氛围。
5. 冶炼和焊接火的高温使其成为金属冶炼和焊接的理想工具。
金属在高温下可以熔化，使得冶炼和焊接过程更加顺利。
火有哪些作用火，是人类最早掌握的能源之一，也是我们生活中不可或缺的一部分。
它有着多种作用，下面将分别介绍火的几个主要作用。
首先，火可以提供热量。
火的火焰是众所周知的热源之一，它可以为我们提供温暖和舒适的环境。
在寒冷的冬天，我们可以点燃火炉或壁炉来取暖，使室内温暖如春；露营时，可以生起篝火，提供温暖的光和热；炉灶使用火来烹饪食物，让我们的饭菜熟透，温暖香甜。
其次，火可以为照明提供光源。
在古代，人们使用火把或火炬来照明。
火焰的亮光可以照亮黑暗的环境，使人们能够看清周围的事物。
而如今，火炬已经被电灯取代，但火仍然被用作篝火或烛光晚餐等活动的照明手段，为人们营造浪漫、温馨的氛围。
此外，火还可以用于烹饪。
在人类漫长的历史中，火一直是烹饪食物的主要方式。
无论是烤、炒、煮、蒸，都需要火的热力来完成。
烹饪可以使食物更容易消化，提高营养价值，改善口感，更好地满足我们的味蕾。
火炉、炉灶和烧烤架等厨房设备的出现，使我们能够更加方便地烹饪各种美食。
火还可以用于工业生产。
在工业生产中，火被用作燃料和加热源。
许多工厂使用火炉、炉灶或锅炉来加热原材料和产品，使其达到所需的温度。
火的高温还可以用于熔化金属，制造各种金属制品。
同时，火还被用于提供机械动力，如蒸汽机、内燃机等。
除了以上几个主要作用之外，火还有其他一些作用。
例如，火是烟火表演的主要元素，为人们带来美丽的视觉表演；火还被用作烧碱和石灰等工业原料的生产过程中；火还可以用于清洁和消毒，如消毒医疗器械、灭菌处理食品等。
总的来说，火作为人类最早掌握的能源之一，具有多种作用。
它可以提供热量、照明、烹饪和工业生产等方面的需求，为我们的生活提供了许多便利和舒适。
当然，我们在使用火时也要注意安全，合理使用火的能量，避免火灾等不良后果的发生。
尊重和善用火的力量，将会让我们的生活更加美好。
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
核科学与技术学院核动力装置热力分析
学号：S313150024
专业：核能科学与工程
学生姓名：刘欣
任课教师：彭敏俊教授
2013年10月14日
火用与能量
火用的概念涉及能量的可用性问题，能量的可用性问题的提出来源于人类动力的需要。
1784年第一台可以为人类不断带来动力的蒸汽问世。
随后的几百年时间，蒸汽机提供的强大动力，极大地推动了人类社会生产力的发展。
人类沉浸在“被解放”的喜悦中。
有了蒸汽机和热力学第一定律，人们认为热力学理论已经相当完善了。
然而，科学家发现热能与动力在表观形式上有所不同。
在实践中人们发现，功热之间虽然可以相互转换，但相互之间的转换能力是不同的。
比如，机械能可以通过摩擦发热全部转换为热能，而热能却不能全部转换为机械能。
进一步研究发现，不同形式的能量能够转换为有用功的比例是不同的。
有的能量能全部转换为有用功，如电能、机械能；有的只能部分转换为有用功，如内能和以热量形式传递的能量；有的则完全不能转换为有用功，如周围自然环境中大气、江河湖海中水的内能。
人们发现，能量除了有数量方面的特征，还有品质方面的特征，即不同的能量，其品质是不同的。
品质高的能量用途多而大，品质低的能量用途少而小。
品质差到一定程度就成了废能。
比如在环境和海洋中，蕴藏的能量在数量上是无限的，但人们却永远不能利用它自动烧开一壶水。
在生产生活中，以热的方式存在的能量是我们容易得到的。
然而很多时候人类最需要的却不是以热的形式存在的能量，对人类来说，最理想的能量形式是功。
既然功是人类最宝贵的能量，可以无限制转换为热或其他能量，人们很自然地想到用可转换为功的比例来评价一般能量的品质，因此，热力学理论中出现了“可用能”的概念。
英国科学家泰特于1868年首次使用了“可用性”的概念，确定了热量中的可转换部分与不可转换部分。
1956年Z.Rant.首次统一了火用的含义，把能量分成在一定环境条件下可以转化和不可以转换的两部分。
热力学的发展和科学工作者的无数次成败实验，也使人们逐渐在意识到：即使是同一种形式同等数量的能量，在不同背景下使用，其效果可能迥然不同。
比如，50摄氏度的热风在高温的工作车间不但无益反而有害，而在寒冬，50度的热风却可以用来供暖。
比如同样是净水结成的冰块，在寒冬基本没有使用价值，但在酷热的夏季，却可以用来制造冷饮等。
由此可见，能量的品质还是与周围环境相关的。
火用的概念建立在热力学第一定律和第二定律的基础上，是能量在理论上所具有的最大做工能力的度量。
一定形式的能量或一定状态的物质，经过完全可逆的变化过程（如传热、传质、化学反应等），最后达到与环境完全平衡的状态，
在这个可逆过程中该能量或物质所能做的最大功即火用。
另一种表述为：火用是当热力系统与环境介质相互作用而达到完全平衡时，外界所能得到的最大功。
火用是一种能量，具有能的量纲和属性，但又与能的含义不完全相同。
一般地讲，能的数量与质量是不统一的，而火用代表了能量中数量与质量统一的部分。
各种形态的能量中都含有一定量的火用，不管哪种形态的能量，其中所具有的火用都反映了各自能量中质量与数量相统一的部分。
这样，就可以用火用来评价和比较各种不同形态的能量。
由热力学第一、第二定律可知，在任意给定状态下，系统火用具有确定指。
在实际过程中，所得到的功少于系统所减少的火用，这意味着部分火用未转换为功，而在不可逆过程中消失了。
这是火用与能量的不同点，能是不会消失的，而火用却可以消失，它只在可逆过程中守恒。
在其他情况下，它可能局部地甚至全部消失，在不可逆过程中耗散而损失了。
比如，高压蒸汽流过节流阀后，所含能量数量不变，但做功能力却下降了，即火用减少了。
通过热力学分析我们发现，在物质和能量的形态转换中，所含的物质和能量总数量一样，但其中的火用却减少了。
但我们也应该看到能量运动的另一方面，正是能量品质降级的过程，我们得到了所需要的火用。
这一点不难理解，这就像一股流过汽轮机的蒸汽流，在其质的不断降低中，我们得到了功。
从总体来看，品质的降低，即火用的减少，是不可抗拒的自然规律。
在能量的利用过程中，消耗掉的正是其火用，而非其他。
从热力学第二定律知，物质和能量品质降低是熵增加或混乱程度增加的缘故。
能量和物质总是从热力学几率小的状态朝着热力学几率大的状态改变，也就是能量和物质总是倾向于分布在“更常见”的状态。
随着质的降低，系统与环境的差异越来越小，当系统与环境平衡时，系统的质降为零，火用含量也变成零。
以热力学第一定律和第二定律为依据的火用分析理论无论是其科学性还是它对实践的指导作用，无疑要比任何其他能量分析法更优越在我国经济飞速民展，工业生产规模和产值成倍增长，能源供需矛盾日异尖锐的今天，假若我们仍然只用热效率这个指标来评价用能水平，那么，纵然浪费能量的现象可以得到有效扼制，但是能质浪费严重的状况将会依然存在。
如何合理利用火用和提高火用效率便成为能源建设和能源设备改选的重要课题。
火用的合理利用和提高火用效率，原则上是使能源能量的质量与用户需要的能量的质量相匹配，尽量做到高质能高用，低质能低用，让不同质的能物尽其用。
因此，降耗节能目标的实现,还需使用能的理论研究与工程应用研究紧密结合，今后的研究主攻方向应该是理论研究与应用研究并举，而以应用研究为主。
理论研究的目的是赶上或超过世界潮流，应用研究的主要目的则是使火用分析走出研究室，使之在工程实践中充分发
挥它的重要作用。
实际上，火用传递不仅是一种自然现象，而且与人类的生活、生产活动相互作用，产生影响，以致渗透到各个领域，比如：(1)宇宙领域。
对宇宙生成的研究大致确认，它起源于一、二百亿年前的一次大爆炸，实际上这就是一个威力无比的火用的转换过程；一个由T>10^12K的超高温急剧降到常温的过程，无疑这就是一个热火用传递过程。
天体的有规律及非常规运动，自然也体现了火用传递的作用。
(2)地球生物圈领域。
包括笼罩地球的大气层、地球表面的海洋、森林……。
生物圈同时接受着太阳辐射、天体和地球自身引力等的作用，形成了气候变化、潮汐起落、生物繁衍等种种现象。
在整个圈内进行着热火用、生物火用、光能火用、机械能火用等各种形式火用的转换和传递。
(3)生命体领域。
包括一切植物、微生物、动物和人类。
任何生命的维持都有赖于体内一个火用的输入、输出系统。
动物由摄取食物而获取了火用流，靠消化系统进行火用转换，并为肢体运动、血液循环提供必须的功火用。
疫病的引发，可以说是火用传递的失控。
(4)工程领域。
无论是金属冶炼、动力机组、石油化工、机械加工、以至电子器件、生物工程等等，处处都有热火用、电火用、化学火用……的转换和传递。
特别要指出，工程领域中的火用传递的作用是不能单以能量传递所替代的。
还可以举出诸如微观世界中的微粒子运动、生物体中的细胞等，也同样离不开火用的传递。
之所以要认识火用传递的普遍性，不仅是由于它确是客观存在，而且还有助于揭示自然界众多现象的机理和本质。
