第一章能量与能源

按被利用的程度分
• 常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪 柴燃料、水能等；
• 新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、 生物质能等，另外还有核能。
按获得的方法分
• 一次能源，即可供直接利用的能源，如 煤、石油、天然气、风能、水能等；
• 二次能源，即由一次能源直接或间接转 换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤 气、氢等，它们使用方便，易于利用， 是高品质的能源。
6.56 669.35
洲 台湾省 1.00
---
----
1.00
哥伦比亚 42.40
2.99
其它
4.26
8.68 9．17 22.11 中 墨西哥
12.52
4.17
0.51
小计 1254.63 419.22 454.81 2128.66 南 委内瑞拉
4.17
---
中
伊朗
1.93
---
---
1.93 美 其它
• 所谓能量，也就是“产生某种效果（变 化）的能力”。反过来说，产生某种效 果（变化）必然要伴随能量的消耗和转 换。
第一节 能量
人类所认识的六种能量形式
• 机械能 •热 能 •电 能 • 辐射能 • 化学能 •核 能
机械能
• 机械能是与物体宏观机械运动或空间状 态相关的能量，前者称之为动能，后者 称之为势能。
9 美国
3.8 9 尼日利亚 0.34
10 中国
3.3 10 伊拉克 0.31
11 中国 0.17
1994年
世界煤炭探明可采储量
烟煤和
烟煤和
洲
国别 无烟煤 次烟煤 褐煤 合计 洲 国别
无烟煤 次烟煤 褐煤
前苏联 1040.00 370.00 1000.00 2410.00
澳大利亚 453.40
东欧 及前 苏联
第一章 能量与能源
• 物质和能量是构成客观世界的基础。
• 科学史观认为，世界是由物质构成的， 没有物质，世界便虚无飘渺，运动是物 质存在的形式，是物质固有的属性，能 量则是物质运动的度量。
能量与能源
• 能量——宇宙间一切运动着的物体，都 有能量的存在和转化，人类一切活动都 与能量及其使用紧密相关。
----
561.50
印度
606.48
----
19.00 625.48 西
英国
33.00
---
5.00
亚
印尼
9.62 70.54 240.47 320.63
西班牙
8.50
4.00
2.00
日本
8.27
---
0.17
8.44 欧
其它
12.64
2.56 100.85
朝鲜
3.00
3.00
----
6.00
小计
293.33
波兰 其它
296.0 25.67
--32.92
116.00 273.9
澳 412.00 332.49 洲
新西兰 其它
小计 1361.67 402.92 1389.90 3154.49
小计
0.27 0.02 453.69
37.00
0.81 --
37.81
419.00 0.09
41909
加拿大 45.09 12.87 28.27 86.23
4 澳大利亚 90.94 4 阿联酋 12.7 4 阿联酋 0.53
5
德国
60.07 5 伊朗 12.2 5 沙特 0.53
6
印度
69.59 6 委内瑞拉 9.3 6 美国 0.46
7
南非
55.33 7 前苏联 7.8 7 委内瑞拉 0.38
8
波兰
42.1 8 墨西哥 7.3 8 阿尔及利亚 0.36
按对环境的污染分
• 清洁能源，即对环境无污染或污染很小 的能源，如太阳能、水能、海洋能等；
• 非清洁能源，即对环境污染较大的能 源，如煤、石油等。
能源的评价
• 能源多种多样，各有优缺点，为了正 确选择和使用能源，必须对各种能源 进行正确的评价。
能源的评价
• 储量 • 能量密度 • 储能的可能性与供能的连续性 • 能源的地理分布 • 开发费用和利用能源的设备费用 • 运输费用与损耗 • 能源的可再生性 • 能源的品位 • 对环境的影响
能源与国民经济
• 由于经济的增长以及经济发展水平的提 高，都需要能源来支撑，因此能源消费 与经济发展有着密不可分的关系。从世 界能源消费的增长趋势看，与世界经济 发展的趋势是一致的。
能源与国民经济
• 世界各国经济发展的实践证明，在经济 正常发展的情况下，能源消耗总量和能 源消耗增长速度与国民经济生产总值和 国民经济生产总值增长率成正比例关系。
按能否再生分
• 可再生能源，即不会随它本身的转化或 人类的利用而越来越少，如水能、风能、 潮汐能、太阳能等；
• 非再生能源，它随人类的利用而越来越 少，如石油、煤、天然气、核燃料等。
按能源本身的性质分
• 含能体能源（燃料能源），如石油、煤、 天然气、地热、氢等，它们可以直接储 存；
• 过程性能源（非燃料能源），它们无法 直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、 波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般 热能等。
能量传递过程的特点
• 能量传递遵循一定的规律，即能量传递 的速率正比于传递的动力而反比于传递 的阻力。
能量传递过程的特点
• 能量的传递，包括转移与转换两种形式。 转移是某种形态的能，从一地到另一 地，从一物到另一物；转换则是由一种 形态变为另一形态。
能量传递过程的特点
• 能量传递的途径基本有两条：由物质交 换和质量迁移而携带的能量称为携带 能，在体系边界面上的能量交换称为交 换能。
9.91
36.39
1.24
东
小计
1.93
-----
----
1.93
小计
69.00
43.55
1.75
世界合计
5214.13 1894.86 3282.84 10391.63
资料来源：第 15 届世界能源会议《1992 年世界能源调查研究报告书》
合计
909.40
1.17 0.02 910.59 553.33
薪柴时期
• 主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的 时代，生产和生活水平极低，社会发展 缓慢。
煤炭时期
• 18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能 源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业 迅速发展，劳动生产力增长很大。
• 19世纪，电力成为工矿企业的主要动 力，成为生产和生活照明的主要来源。 但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为 主要燃料。
能源消费
• 当今世界的能源消费仍以石油为主。以 1994年为例，世界能源的总消费量以石 油换算为97亿8000万吨标准油，其中 石油占39.3%、煤炭占28.8%、天然 气占21.6%。这样化石燃料的消费量占 了总量的87.9%，此外，核能占7.3%、 水力、地热等其他形式能源占3%。
第四节 能源资源生产与消费
世界化石燃料探明可采储量
煤碳（GT）
石油（GT）
天然气（TM3）
世界总计 1043.86 世界总计 137.3 世界总计 14. 1
1 前苏联 241.0 1 沙特 25.7 1 前苏联 5.6
2
美国
240.56 2 伊拉克 13.4 2 伊朗
2.1
3
中国
114.5 3 科威特 13.3 3 卡塔尔 0.71
第三节 能源与人类文明
能源更迭与社会发展
• 人类利用能源的历史，也就是人类认识 和征服自然的历史。 (1)火的发现和利用 (2)畜力、风力、水力等自然动力的利用 (3)化石燃料的开发和热的利用 (4)电的发现及开发利用 (5)原子核能的发现及开发利用
能源更迭与社会发展
人类社会已经历了三个能源时期： • 薪柴时期； • 煤炭时期； • 石油时期。
第二节 能源的分类与评价
能源的分类
• 所谓能源，是指能够直接或经过转换而 获取某种能量的自然资源。
• 自然资源：煤、石油、天然气、太阳能、 风能、水能、地热能、核能等。
• 为了便于运输和使用，经上述资源加工 可得到一些更符合使用要求的能量来 源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、 氢能等。
能源的分类
石油时期
• 石油资源的发展，开始了能源利用的新 时期。近30年来，世界上许多国家依靠 石油和天然气，创造了人类历史上空前 的物资文明。
• 进入21世纪，核能将成为世界能源的主 角，清洁能源的时代也将随之到来。
能源与国民经济
• 能源是发展社会生产和提高人民生活 水平的重要物质基础，是推动国民经 济发展的强大动力。
机械能
• 如果质量为m的物体的运动速度为v,则
该物体的动能Ek可以用下式计算：
E
k
=
1 2
mv 2
• 重力势能E可以用下式计算：
E p = mgH
机械能
• 弹性势能 Eτ 的计算式为：
Eτ
=
1 2
kx
2
• 表面能 Es 可用下式计算：
E s = σS
热能
• 构成物质的微观分子运动的动能和势能 总和称之为热能。这种能量的宏观表现 是温度的高低，它反映了分子运动的激 烈程度。通常热能Eq可表述成如下的形 式：
能量传递过程的特点
• 在体系边界面上的能量交换，通常主要 以两种方法进行：传热——有温差引起 的能量交换，这是能量传递的微观形 式；作功——由非温差引起的能量交 换，这是能量传递的宏观形式。
能量传递过程的特点
• 通过能量交换而实现的能量传递，即传 热和作功，其具体方式为：传热的三种 基本方式是热传导、热对流和热辐射； 作功（这里指机械功）的三种基本方式 是容积功、转动轴功和流动功（推动 功）。
由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下 6种不同的分类方法： • 按地球上的能量来源分 • 按被利用的程度分 • 按获得的方法分 • 按能否再生分 • 按能源本身的性质分 • 按对环境的污染情况分
按地球上的能量来源分
• 来自于地球本身，如核能、地热能等； • 来自于球外天体，如宇宙射线及太阳
能，以及由太阳引起的水能、风能、波 浪能、海洋温差能、生物质能、光合作 用等； • 来自于地球和其他星体的相互作用，如 潮汐能。
67.45 620.78 800.69 38.00 14.50 116.05 969.24 45.39 17.20 4.17 47.54 114.30
1973年和2002年世界硬煤产量的地区分布图
1973年和2002年世界石油产量的地区分布图
1973年和2002年世界天然气产量的地区分布图
1971年至2001年世界一次能源供应量的地区分布图
南非
wk.baidu.com553.33
---
---
北 美
美国
非 1126.68 959.29 319.63 2405.61 洲
其它
54.78
12.63
0.04
小计 1171.77 972.16 347.90 2491.84
小计
608.11 12.63
0.04
中国
622.0 337.00 186.00 1145.00
德国
239.19
能量传递过程的特点
• 能量传递的结果主要体现在两方面，即 能量使用过程中所起的作用以及能量传 递的最终去向。
• 能量传递的最终去向通常只有两条：或 转移到产品，或散失于环境，包括直接 损失和用于过程后再进入环境这两种情 况。
能量传递过程的特点
• 能量传递的实质实际上就是能量利用的 实质。如果把产品的使用也包括在内， 能量的最终去向只能是唯一的，即最终 进入环境。
能源与国民经济
• 世界经济和能源发展的历史显示，处于 工业化初期的国家，经济的增长主要依 靠能源密集工业的发展，能源效率也较 低，因此能源弹性系数通常多大于1。
能源与人民生活
• 人们的日常生活处处离不开能源，不仅 是衣、食、住、行，而且文化娱乐、医 疗卫生都与能源密切相关。
能源与人民生活
• 目前我国一次能源消费量已超过俄罗斯 居世界第二位，但由于人口过多，人均 能耗水平仍很低，全面建设小康社会仍 然是我国人民面临的重要任务。
E q= ∫ Tds
电能
• 电能是和电子流动与积累有关的一种能 量，通常是由电池中的化学能转换而 来，或是通过发电机由机械能转换得 到；反之电能也可以通过电动机转换为 机械能，从而显示出电做功的本领。
E e= UI
辐射能
• 辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。
• 物体的辐射能 Er可由下式计算：
能量的性质
• 状态性 • 可加性 • 传递性 • 转换性 • 作功性 • 贬值性
能量的转换
• 1）能量在空间上的转移，即能量的传输 • 2）能量在时间上的转移，即能量的储存
能量的转换
能量的传递
能量传递过程的特点
• 能量传递是有条件的，即在有能量密度 差的条件下，能量总是从能量密度大的 物质或能量集中的地方，向能量密度小 的物质或地方传递；总是从集中到分散 并逐步达到平衡。
E
r
=
εc
0
⎜⎛ ⎝
T 100
⎟⎞ ⎠
4
化学能
• 化学能是物质结构能的一种，即原子核 外进行化学变化时放出的能量。
• 按化学热力学定义，物质或物系在化学 反应过程中以热能形式释放的内能成为 化学能。
核能
• 核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。
• 轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量 的原子核（铀等）其核子之间的结合力 比中等质量原子核的结合力小，这两类 原子核在一定的条件下可以通过核聚变 和核裂变转变为在自然界更稳定的中等 质量原子核，同时释放出巨大的结合能。 这种结合能就是核能。