等离子体

是贮存在电池以外，当燃料和氧化剂源源不断地输入
电池时，电流连续输出。
三. 天然气
天然气是可燃的低分子量的烷烃气体混合物，主
要成分是甲烷、乙烷和少量丙烷、丁烷。天然气燃烧
时不产生灰渣，产生的二氧化碳量少（比石油少50%， 比煤炭少75%）使用方便、可液化，即可瓶装也可经
管道输送。
西气东送。
4. 水力 水能是天然水流具有的势能和动能。地球上的水 在太阳的照射下受热蒸发，水汽上升到高空成为云， 在一定条件下凝成雨、雪落到地面汇集成江、河，形 成循环的可再生能源。水力发电是让水冲击水轮机转
化后进行改质反应，调整 H2 与 CO 的比例，制成液体
产品。
2. 石油 主要成分是碳氢化合物和少量氧化物、硫化物等 的混合物。燃烧一公斤石油可产生4.090×1074.514×107 J的热量，热值比煤高。用蒸馏和裂化等方 法可提炼出汽油、煤油、柴油、重油等不同沸点的石 油产品。19世纪末以来，石油的需求量大增。据估计， 世界大型和超大型油田的储量正以每年4%到6%的平 均速度减少（2004.4.8《南方周末》报）。 目前人们已经向海底寻找开采石油，利用煤炭生 产石油。煤炭和石油都是以碳和氢为主的化石燃料， 煤经液化后可以相应分馏出各种石油产品。还可以从 植物中、废弃物中提取石油。
能（柴草）、风能、潮汐能、地热等可以从自然界得
到补充，称为可再生能源；煤炭、石油、天然气等化 石燃料，铀、钍等核燃料是亿万年前地壳运动形成， 用一点少一点，称为非再生能源。
二. 常用能源
目前煤炭、石油、天然气，水力，核能在能源结构
中占主要地位。煤炭是远古时代广袤的森林，石油、天
然气则是低等动物在地壳变动时埋于地下，处在缺氧、
秸杆、动物排泄物、江湖沉积物、农产品加工的有机
废料、垃圾中的有机物等，生物质能的转换技术大体
分为三类：
(1 ) 直接燃烧获取热量
这是最简单的方法，如
柴草灶、垃圾发电。但转换效率低，污染环境。
(2) 生物转换技术
以自然或人工方法，将生物质通
过微生物发酵转换为液体或气体燃料。我国农村广泛 使用的“沼气”是以农作物秸杆、动物排泄物、农产 品加工后的有机废料通过甲烷细菌发酵后产生的以甲 烷为主，含有二氧化碳、氮气等的混合物。这是解决
冷却部分
Q2
锅炉燃烧燃料获得热能，热能通过转换装置将水变
为有一定压力和温度的高温高压蒸汽，蒸汽膨胀获得动
能，推动活塞作功是蒸汽机；推动叶轮再带动机械转轴
旋转作功是汽轮机。
内燃机是汽油、柴油、轻油等液体或气体燃料在燃
烧室内点火燃烧，燃烧产生的高温高压气体在气缸内膨
胀，推动活塞作功获取机械能。按热力学过程不同，常 见的有奥托循环和狄塞尔循环。
电弧式热转换是利用两电极电压升高时，电流急剧加
大，极间气体形成热等离子体，电子、正离子与阳极、阴 极相互碰撞产生高温（一般在3000K以上）。电弧炼钢就 是一例。 大块导体放在高频率变化电流产生的磁场中时，在导
体上产生感应电流——称为涡电流。有很强的热效应。冶
金用的高频炉达到精炼目的。高频率变化电流有在导体表 面薄层流动的特性（趋肤效应），因而可使热处理元件表 面温度升高，实现表面淬火。市售的新型炊具电磁炉也是 利用了涡电流的热效应。
高温、高压环境下，历经漫长的地质年代演变而成。 1.煤炭 煤炭主要成分碳占 60-90% ，氧占 4-8% ，每燃烧
1kg煤大约可产生1.08×107-3.34×107 J 的热量。煤炭
既是燃料又是重要的化工原料。第一次工业革命使世 界能源结构发生重大转变，即从以木材等薪炭为主转 到以煤炭为主。
20世纪20年代，世界能源结构发生第二次大转变，
各种照明设备还可方便地将电能转换为光能。
相对论给出质能关系式E=mc2，指出质量的变化必然
伴随着能量的变化ΔΕ=wenku.baidu.commc2，从而揭示了利用核能的可能
性，人类在20世纪下半叶从电气时代进入到核能时代。
§7-2 常用能源
一. 能源分类 地球上的能源按来源可分为三类：来自地球以外的 , 地球本身的, 地球与其他天体的相互作用。
池、多晶硅电池、硫化镉电池、砷化锌电池等。我国 1971 年发射的第二颗人造卫星上已开始使用太阳能电 池，高效砷化镓电池已在 1990年发射的风云一号气象 卫星上使用。较常用的是硅电池，转换效率可达13%-
17%。在宇宙空间的效率可更高。
照射在沙漠上的太阳能十分丰富，如果利用照射 在撒哈拉沙漠太阳能的 1% ，就可获得比现在全世界 能耗大得多的能量。
第一类是来自地球外天体的能量，主要是太阳辐射能。 传统能源煤、石油、天然气、生物质能也都间接地来源于 太阳。
第二类是地球本身蕴藏的能量。如地球内部的地
热能，地壳中保留的核燃料（铀、钍、锂等）所储存 的核裂变能，海洋中氘、氚储存的核聚变能等。 第三类是由于地球和月亮、太阳等天体相互作用 所产生的能量，如风能、潮汐能等。 按能源是否可从自然界得到补充，又可分为可再 生能源和非再生能源两大类。太阳能、水能、生物质
快速增长的中国经济对石油的需求越来越大， 2003年GDP增长9.1%，是建立在日消耗石油达 546万 桶基础上。这个数字意味着，中国的石油消耗量位于
全球之二，仅次于美国。2003年中国进口9100万吨原
油，较2002年增长31%。据估计，交通领域消耗了我 国50%的石油用量。提高能源使用效率，减少在汽车 方面的能耗，采用燃料电池为主发展汽车工业可能是 一条路。
煤 煤
空气、水蒸汽
氧气、水蒸汽
低热值煤气（民用煤气） 中热值煤气
甲烷
高热值煤气
煤炭的汽化可将所有种类的煤转化为用途广泛的 民用煤气、化工合成原料气、工业燃料气等。 煤的液化：直接液化是煤在适当的温度和压力下， 催化加氢裂化成液态烃，在反应过程中脱除氮、氧、
硫等。间接液化是利用煤炭汽化产品为原料气，经净
在利用太阳能发电时，为克服夜间阴天无阳光的
困难，采用“熔盐储能”的方式。在晴天时，把热能 输入熔盐，使熔盐吸热熔化，把太阳能储存起来；当 熔盐凝结时，贮存的热量释放出来，达到均衡供电。
(3) 光化学转换 光化学电池是利用光照引起化学反应，使电解液 内形成电流而供电的电池。利用太阳能分解水制氢也
二.发电机 电动机
发电机是将机械能转化二次能源——电能的装置。
依据法拉第电磁感应定律，发电机的线圈（转子）在磁
场（定子）中旋转产生电动势。例如可将水的势能转变
为动能（mgH=mv2/2）驱动水轮机，运动气流驱动汽轮
机，风力驱动风车等，这些装置的转动部分带动转子而
发电。常用的是三相两极交流发电机。我国规定，工业
用发电机转子转速3600转/分，定子产生频率为50Hz交
流电。目前最好的火力发电机效率约为40%。
现发展的磁流体发电机，是直接把热能转化为电能的 装置。由燃烧室、通道和磁体三大部分组成。燃料和氧化 剂通过喷嘴注入燃烧室，点火后产生约3000K高温燃气， 经喷管加速到约800m/s，气体分子电离成自由电子和正离 子组成的导电气流（等离子体）。通道管放置在磁体的磁 场中，且与磁场方向垂直。当导电气流进入通道时，在垂 直于磁场和气流的方向产生感生电动势，实现热能直接转 化为电能。与火力发电相比，省去锅炉和蒸汽管道系统， 用导电气流取代转子，用磁体取代定子，省去机械转动部 件，从而造价只有同容量火力发电机的1/4，效率达60%， 热污染也小1/3左右。气体电离所需的高温与须承受3000K 高温材料间的矛盾，使磁流体发电实用化遇到困难。
太阳是一颗炽热的恒星，辐射功率为 3.8 × 10 23KW，
到达地球表面的辐射功率达8×1013KW，相当于目前 地球上总发电功率的 8 万倍。太阳能是清洁的可再生 能源。
太阳能的直接利用大致有三种形式： (1) 光电转换 利用太阳能电池可将太阳辐射能转换为电能，用半
导体材料制成的光电池已进入实用阶级。如单晶硅电
动带动发电机发电。随着水轮机技术的改进，尤其是
发电机和输电技术的发展，水力发电已成为电力的重
要组成部分。我国的水力资源大量蕴藏在西南地区，
在西部大开发中建设梯级水电站和坑口电厂，实施西
电东送工程，将有助解决东部能源问题。
5. 生物质能 生物质能又称为“绿色能源”，它是指通过植物 的光合作用，将太阳的辐射能量以生物质能的形成固 定下来，生物质能来源于太阳能，是取之不尽的可再 生能源。地球上的生物质能种类繁多，木材、农作物
(2) 光热转换 昆明几乎家家都用的太阳能热水器就是直接利用 太阳的辐射能量的光 - 热转换装置。装置又可分为平 板式和聚光式两种。太阳能热水器的集热器是平板式 的，用水作为传热的介质。太阳灶和太阳能高温炉是 抛物面型反射聚光式的，利用抛物面反射镜使聚焦处 得到较高温度。为提高光 - 热转换效率，在集热器表 面涂上涂层。
燃料电池是将燃料的化学能直接转变成电能的发电
方法。燃料电池由燃料、氧化剂、电极、电解液四部分
组成。燃料有氢、甲醇、液氨、天然气等。燃料、氧化
剂在电极上与电解液进行氧化-还原反应，在反应
中放出电子，形成电流。就产生电流上燃料电池与一 般电池类似。只是一般电池的反应物是预先放在电池 中，消耗完电池的寿命结束；而燃料电池的反应物质
认识和开发能源是通过实验和理论上的探索 从物理 学的角 度看 发现新的储能方式和储能物体。 利用能源是使能源储存的能量转换为其它形 式储存的能量，并在转换过程中获所需的功。 经典力学阐明能量守恒定律：在与外界没有能 量交换的系统，能量形式可以转化，但总量不变。热 力学第二定律指出能量有退化的趋势。
电动机是发电机的逆装置，也主要由两线圈组成。
一组固定称为定子，用来产生磁场；另一组旋转称为转
子，转子通以电流，在定子的磁场中受到磁力矩作用发
生旋转，将电能转化为机械能输出。
三．电能转化为热能 焦耳给出电能与热能间的转化关系：电流强度为I的 电流，通过电阻为R的导线，通电时间为t，则释放的热 能（焦耳热）为 Q=I2Rt 这是最常见的电-热转换。 电弧式热转换是利用两电极电压升高时，电流急剧 加大，极间气体形成热等离子体，电子、正离子与阳极、 阴极相互碰撞产生高温（一般在3000K以上）。
§7-3 能源危机和新能源开发
一. 能源危机
资源枯竭 环境污染 资源枯竭 资源不可再生。 高品质的能量转变为低品质的能量是不 可逆的。
环境污染： 温室效应 CO2浓度升高，妨碍地球散热， 污染物主 导致全球变暖。 要是CO2， SO2造成酸雨危害。 SO2，NO 等 NO等氮氧化合物破坏臭氧层。
目前最关注的新能源是，太阳能、氢能和核能。 二. 太阳能、氢能和核能 1. 太阳能
农村能源的最有效的办法。按 2004 年的报道，我国农
村已有一千多万户使用沼气，位居世界第一。
我国在吉林建设了 60 万吨乙醇生产线，原理是用 玉米发酵生产乙醇，将乙醇添加汽油变性生成乙醇燃 料，再以 10% 的比例兑到普通汽油中生成乙醇燃料汽 油。
(3)化学转换技术 通过化学方法使生物质转换成燃 料物质，化学方法目前有三种：有机溶剂提取法、汽 化法、热分解法。
实用的一些能量转化装置: 一. 热机 热机是将燃料燃烧释放的能量——热能转换为机 械能的装置。 热机一般由五大部分组成：
输 工作物质; 加热部分；输出机械 出 机 能部分 ;冷却部分；加压部分， 械 输水泵或压缩机等。 能 部 分 工 作 物 质 加 压 部 分 加热部分 Q1 输 出 机 械 能 部 分
第七章
能源
能源是人类生存和发展须臾不能离的物质基础。 国家的能源结构、能源政策、能源储备不仅与人民日 常生活息息相关，也维系着国家安全和命运。
§7-1 实用的能量转化
第一章指出，能量是物质运动的一种量度，对应 物质的不同运动形式有不同形式的能量。物体具有能 量，就具有作功的本领。
能源：拥有人类有能力利用的能量的物体。 能源科学：有关认识、开发、利用能源的科学知 识体系。
即从以煤炭为主转向石油、天然气。到20世纪中叶， 在工业化国家煤炭退位于石油、天然气。 面临能源危机，许多国家又把希望寄托于煤炭。 世界探明的煤炭储量比石油丰富得多 , 但是我们在下 面会讨论到煤炭运输成本高，燃烧时带来的大气污染 问题，为此研发煤的汽化和液化技术。 煤的汽化：是在一定的温度和压力下，通过汽化 剂以一定的流动方式将煤转化成可燃气体的过程，煤 气中有用的成分是H2、CO、CH4（甲烷）等。