从热力学定律中理解能源危机和环境问题
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从热力学定律中理解能源危机和环境问题
Ys1010121019 热能一班 刘凯锐
一、熵、热力学定律和能源
熵（entropy）指的是体系的混乱的程度，最初是根据热力学第二定热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下述表述方式：
①热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而不引起其他的变化；
②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功,而不产生其他任何影响（即无法制造第二类永动机）；
③在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体，高温物体的熵减少dS1=dQ/T1，低温物体的熵增加dS2=dQ/T2，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是dS＝dS2+dS1＞0，即熵是增加的。律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。
因此从熵率的增加，可以看出能量利用效率和能量品味的降低，从而人们就要通过耗费自然资源代价来利用能量。
“熵”的概念一开始就和能的概念关系密切，克劳修斯当初把“熵”定名为entropy，是德语“能量”的词冠“en-”和变易的词根“tropien”相组合。他说：我有意把这个词拼成 entropy。因为从热力学意义上看，熵与能的关系是这样的：“熵”增加就是意味着系统的能从数量上讲虽然守恒，但是“品质”却越来越差，越来越不中用，被用来做功的可能性越来越小，不可用程度越来越高，这个就是能量的“退化”。例如：汽车的轮子与地面摩擦生热的过程是增加熵的过程，摩擦的机械运动变成分子的热运动，机械能变成了热能，虽然能量守恒，但是要让热能做功，再完全自动地变成机械能却无此可能。显然，热能的“品质”要比机械能差，热能的不可用程度要比机械能高，熵的增加意味着能量在“质”的方面发生了“退化”。所以熵和不可用能关系十分密切。
而“能源”的本质是指能量的来源。例如：太阳辐射到地球表面上的能量，就是人类使用能量的主要能源。“能源”的第二层含义是能量资源。例如：存在于自然界中的煤，石油，天然气等化石燃料，铀，钍等核燃料，以及生物体等都属于能源；由这些物质加工而成的焦碳，煤气，液化气，煤油，电，沼气等也是能源。
能源是人类生活和生产资料的来源，是人类社会和经济发展的物质基础。随着科学的进步，经济的飞速发展，以及人口的急剧增长，人们已经开始认识到能源是有限的，如果不高度重视，能源枯竭问题将会出现，那后果将不堪设想。能源问题的物理实质是物质与能量的转化问题，这些转化都为以下三条规律所支配： （1）物质守恒定律：物质可以从一种形式转化成为另一种形式，但它既不能创造也不能消灭。
（2）能量守恒定律：历史上有不少人为解决能源问题而设计一种无需输入能量而对外不断做功的机器，这种“第一类永动机”之所以失败，就是由于违背了能量守恒定律。
（3）熵增加原理：人类利用能源的过程，实际上是一种能量的转化，但是集中在能源中的无用能的数量在不断的增加。所以所谓“能源枯竭”、“能源危机”，只是能源消耗导致有用能急剧的减少，不可用能急剧增加的代名词，是熵增原理的反映。
能（能源）和熵，从这两个概念的建立到上个世纪初，人们相信能源在经济和社会发展中的重要作用，能量主宰了宇宙中的一切。但是随着时代的发展，熵概念的重要性越来越突显出来了。人们越来越多的把它和无效能量，混乱度，废物，污染联系在一起，认识到了熵的重要意义。于是有了一个形象的比喻：在宇宙这个自然过程的庞大工厂里，能量仅仅是充当了“薄记员”，它记载了收支的平衡，而“熵”起着“经理”的作用，它规定了整个企业的经营方式和经营方法，也就是说能量仅仅表达了宇宙中的一种守恒关系，而熵决定了宇宙该向何处去，而不再“能量”是主人，“熵”是影子了。
二、 环境保护 1、环保和余热利用
2002年10月，《中华人民共和国环境影响评价法》颁布，为项目的决策、项目的选址、产品方向、建设计划 和规模以及建成后的环境监测和管理提供了科学依据。
近十年来，由于能源紧张，随着节能工作进一步开展。各种新型，节能先进炉型日趋完善，且采用新型耐火纤维等优质保温材料后使得炉窑散热损失明显下降。采用先进的燃烧装置强化了燃烧，降低了不完全燃烧量，空燃比也趋于合理。然而，降低排烟热损失和回收烟气余热的技术仍进展不快。为了进一步提高窑炉的热效率，达到节能降耗的目的，回收烟气余热也是一项重要的节能途径。
烟气余热回收途径通常采用二种方法:一种是预热工件；二种是预热空气进行助燃。烟气预热工件需占用较大的体积进行热交换，往往受到作业场地的限制（间歇使用的炉窑还无法采用此种方法）。预热空气助燃是一种较好的方法，一般配置在加热炉上，也可强化燃烧,加快炉子的升温速度，提高炉子热工性能。这样既满足工艺的要求，最后也可获得显著的综合节能效果。
八十年代，国内先后研制了喷流式，喷流辐射式，复台式等换热器，主要解决中低温的余热回收。在100度以下烟气余热回收中取得了显着的效果，提高了换热效率。但在高温下仍因换热器的材质所限，使用寿命低，维修工作量大或固造价昂贵而影响推广使用。 后来的陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。
目前，陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉，正在为世界的节能减排事业作出了巨大的贡献。
2、我们日常生活中应该做的
关心大气质量——别忘了你时刻都在呼吸
随手关灯——省一度电，少一份污染
节用电器——为减缓地球温暖化出一把力
减用空调——降低能源消耗
支持绿色照明——人人都用节能灯
利用可再生资源—别等到能源耗竭的那一天
减少尾汽排放——开车人的责任
使用再生纸——减少森林砍伐
旧物巧利用——让有限的资源延长寿命
植树护林——与荒漠化抗争
