能源是人类命运共同体可持续发展的物 质基础，热能的转化与利用，是其服务于人 类社会普遍且重要的环节，广泛存在于用能 工艺过程。

　　一、热能的获取与驾驭

　　除了被动地享受温暖的阳光，制造、控 制和利用“火”应该算是人类最早主动利用 能源的开始。火，被用来烘烤食物、取暖及 自我保护。经过高温加工后的熟食，更易于咀嚼和消化，促进人类内脏、大脑、骨骼、口腔的快速进化。

　　火，源于树木、杂草等生物质的燃烧， 并且以热和光的形式被利用。化石燃料的发 现和使用，提升了人类对热能的获取和驾驭 能力。大约在 3000 年前的青铜器时代， 人类 开始使用煤炭冶炼青铜器，推动工具、冷兵 器、祭祀用品制造能力的发展。据史料记载， 中国是世界最早发现和利用天然气、石油的 国家之一。晋朝常璩在《华阳国志》中记载了秦始皇时期四川临邛县劳动人民钻井开采 天然气煮盐的情景，“有火井， 夜时光映上眼。 欲其光， 以家火投之， 顷许如雷声， 火焰出， 通耀数十里，以竹筒盛其光藏之，可拽行终 日不灭也”，  “取井火煮之，一斛水得五斛 盐”。东汉班固在《汉书 ？ 地理志》中描述“高 奴有洧水， 可燃”。北魏郦道元在《水经注》 中更详细地记述：  “高奴县有洧水， 肥可燃。水上有肥， 可接取用之”。这里所说的“肥” 即石油。宋代沈括最早给“石油”定名，并  详细描述了石油的性能和用途， 认为石油“生  于北际沙石之中”，  “与泉水相杂，惘惘而  出”，并作出“石油至多， 生于地中无穷”， “此物后必大行于世”的预言。化石燃料的  发现和大规模利用，开启了人类发展的新纪  元，为人类第一次和第二次工业革命奠定了  能源基础。

　　19 世纪末至 20 世纪初，伴随现代物理 学的发展， 人类逐步揭开原子核的神秘面纱， 将原子核结构、核聚变、核裂变逐一展现在 世人面前，把核能这一终极能源带入人类的 视野。核能发电技术通过可控核裂变使核能 按需释放热能，再采用热功转换技术生产电 能。提升核燃料利用率和热功转换效率，以 及发展可控核聚变都是核能利用领域重要的 研究方向。

　　从本质上来说，几乎所有能源的终极来 源都是核能，核能产生太阳能和地热能，太 阳能又在地球上制造了风能、水能、生物质 能、化石能源，……。

　　二、热能高效转化利用的追求与“碳中和”

　　人类获取热能的方式和方法不断进步， 其对热能利用的技术也在持续发展，热功转 换是热能利用的最主要形式之一。

　　瓦特改良蒸汽机的故事广为流传，改良 前蒸汽机的效率极低，经瓦特改良后也不过 2-3%。在面临热功转换的效率极限和提高途 径问题时，卡诺指出：热功转换的极限效率 取决于冷热源温度，在环境温度下，获得更 高热功转换效率的途径是提升热源温度和工 质的平均吸热温度。对于火力发电厂，人类 通过回热技术、再热技术、超临界技术等不 断提升朗肯循环工质(水蒸气) 的吸热温度， 已能够将火力发电效率提升至近 50%。然而， 伴随工作温度的提升，换热及做功部件材料 面临巨大的挑战。目前，耐温 700℃的锅炉 和透平材料还处于实验室研发阶段。因此， 水蒸气朗肯循环效率很难再有巨大突破，在 现有材料技术的基础上， 需要拓展其他思路， 以进一步提升热功转换效率。

　　工业革命以来， 化石燃料的大规模利用， 致使大气中 CO2 浓度实质性增加，全球变暖 和气候灾害不断加剧。2021 年 11 月 1 日， 联合国秘书长古特雷斯指出，人类正面临紧 要关头，正在迅速接近临界点，一旦达到便 将触发全球变暖不断升级的“反馈循环”。 为应对人类命运共同体面临的这一严峻挑 战，占世界经济 70% 和全球 CO2 排放 65% 的国家现已承诺实现净零排放，我国也于 2020 年 9 月 22 日正式提出“碳中和”时间表。