第10章 能量输入和能量输出

第十章能量输入和能量输出Energy in and energy out 10.1 可再生能源Renewable energy
学习目标：Learning Objectives:
什么是可再生能源和不可再生能源？
哪些能源是可再生的？
太阳在为我们提供能源中，所起到的作用是什么？
参考大纲：3.2.2A
全球都在鼓励利用可再生能源来满足日趋增长的能源需求。

而不发达国家从经济角度考虑，发展使用可再生能源的速度较慢，因为他们通常拥有大量未开采的煤、石油和天然气。

而使用这些能源来满足一个快速发展的经济体相对大量的能源需求，其成本更低，而且技术需求也更低。

大多数能源——可再生能源和不可再生能源，都可以追溯到太阳，那么，为什么使用一种能源优于使用另一种能源呢？因为依赖含碳的不可再生能源会产生一些严重的问题：
⏹不可再生能源最终将会耗竭。

⏹直接使用不可再生能源会增加输入到地球及其大气的能量。

⏹使用不可再生能源产生的副产品会进一步加速全球变暖。

不可再生能源Non-renewable resources
不可再生能源包括石油、天然气和煤，由腐烂的生物体形成。

石油和天然气来自百万年前堆积在海底的浮游生物和细菌的分解，而煤来自陆地上植物（如树木）的分解。

生物体和植物生长所需的能量来自于阳光：植物通过光合作用吸收阳光，而植物反过来为生物体提供食物。

由于煤和石油需要经过数百万年的分解才能形成，因此，一旦被消耗，就很难再生。

使用不可再生能源时，存储在地球物质中的太阳能会被释放。

这些存储的能量会增加从太阳自然获得的能量。

燃料燃烧时产生的气体（如二氧化碳）释放到大气中，会导致所谓的温室效应（在第11章中讲述）。

链接Link
本章的后面部分将对不同形式的能源及其使用形式作进一步阐释。

核能和地热能Nuclear and geothermal energy
核能来自于铀，而铀是一种不可再生资源。

快速“增殖”反应堆会产生钚，而钚自身可用作燃料，从而增加了从核反应中可获得的能量。

然而，即使是核资源，最终也可能会耗竭，因此核能是不可再生能源。

地球内部每往地心前进36米，温度会升高1K左右。

因此，即使是几公里深度，温度也可能会超过250℃。

地热能可用于直接为家庭和企业供热，也可用于驱动电力生产中的涡轮机和发电机（如图1所示）。

地热能资源非常丰富，因此可以将其归类为可再生能源。

图1 提取地热能
可再生能源Renewable sources
正在开发的可再生能源依靠对太阳能的直接或间接利用。

可通过使用太阳能面板或光伏电池来直接使用太阳能，也可通过风力、河流和波浪发电来间接使用太阳能。

潮汐能也是可再生能源，由于太阳和月球的引力效应产生。

因为太阳会不断促进地球气候的变化，所以，使用这些能源不会为来自太阳的能量增加额外的能量。

我们的技术可将能源转换为电能形式，便于传输和使用。

风能Wind energy
在大气中和地面上，存在许多因素会影响不同的温度环境：
⏹相对于岩石、沙子和土壤，水的热容量更高，因此，通常情况下水的温度比陆地更低。

陆地温度波动频率更多、温度波动范围更宽、而且这些变化会发生得更快。

⏹靠近地面的气温比更高处的空气温度更高。

⏹地球上的一些地方（如赤道）离太阳更近，因此最高温度可达到更高。

这些影响会引起空气膨胀，使空气密度和气压更低，从而导致地球周围的变化。

温暖的、低密度的空气上升，形成对流，从而形成风。

从局部来说，白天的温度变化只会导致从海洋到陆地的微风，而夜间的风向相反（如图2所示）。

从全球来说，温度变化会产生非常强大的盛行风。

出乎人们的预料，大气的全球运动不是直接从高气压向低气压移动（像空气从自行车轮胎打开的气门快速冲出一样）。

地球自转产生的力会使空气运动螺旋进入低气压区域或从高气压区域螺旋出来，因此，风向大概是沿着等压线。

图2 陆风和海风
科学探索How science works
能量守恒定律Conservation of energy
记住，能量只能从一种形式转化为另一种形式。

通过核裂变或核聚变使燃料燃烧并产生能量会使质量减缩，在这种情况下，等量的能量会以另一种形式出现。

从严格意义上来说，太阳能并不是可再生的——但它提供的能源可以维持到很遥远的未来，因此，我们认为太阳能是可再生能源。

提示Hint
物体的热容量越高，则使物体温度升高1℃所需输入的能量越多。

科学探索How science works
等压线Isobars
等压线是压力相等的点连接所成的线。

类似于地图上的等高线，用来标明高度相等的点。

波浪能Wave energy
波浪是因扰动（例如，向池塘投入一块石头）而引起。

海啸是由于海底地震引发的具有破坏性的波浪。

用于发电的海浪，部分是因潮流运动而起，部分是因吹过海面的大风而起——将风的动能转换成波浪的动能和势能。

河流中的能源Energy in rivers
在这种情况下，太阳所起的作用是形成降雨。

太阳提供使水（尤其是大面积的海水）蒸发所需的能量。

就像形成风的过程中加热的空气会上升一样，水蒸气以同样的方式上升。

随着水蒸气上升，水蒸气会获得势能。

当水蒸气进入冷空气层时，水蒸气凝结，从而形成降雨。

雨水形成河流，河流会获得动能，而随着河水流回海洋（通常是雨水的起源地），雨水的势能流失。

河流的动能可用于发电。

潮汐能Tidal energy
潮汐的产生是由于地球受到太阳和月球的引力（如图3所示）。

由于月球距离地球更近，因此，月球对地球的影响更大。

最高潮（大潮）发生在太阳引力和月球引力处于同一方向时，而最低潮（小潮）发生在太阳引力和月球引力相互成直角时。

随着地球和月球自转，海洋的不同部分受到月球的引力。

地球自转和万有引力的联合作用会使地球背月面的水位升高。

地球每自转一次，地球表面的每个点两次处于向月面或背月面，因此，每天会出现两次潮汐。

图3 潮汐的形成
问题小结Summary questions
1. 简要描述太阳在煤能源形成中所起到的作用。

2. 说出：
a 两种可再生能源
b 两种不可再生能源。

3. 为什么有些能源是可再生的？
10.2 能量输入Energy in
学习目标：Learning Objectives:
从英国的不可再生能源中可获得多少能量？
世界上不可再生能源的主要产地是哪里？
英国的可再生能源可产生多少能量？
参考大纲：3.2.2A
能量Energy
能量是指“做功的能力”。

通过做功，物体的能量可从一种“形式”转换为另一种“形式”。

那么，转换后的能量可能以另一种不同于最初能量的形式存在。

对于燃料，能量的最初形式是化学能，燃料燃烧释放的能量转换成机械能，用于驱动涡轮机和发电机。

能量的国际制单位为焦耳（J）。

能量转换的速率或者做功的速率，就是功率。

功率的单位为瓦特（W）。

1瓦特等于每秒钟转换或者消耗1焦耳的能量（1W = 1JS-1）。

涉及到电力生产时，常用单位为kW、MW、GW甚至TW（1TW = 1012W）。

根据功率计算转换的能量的公式为E = Pt。

转换的能量（已消耗的）= 功率×时间。

由于发电厂发电产生的能量和家庭使用的能量很大，因此能量单位使用千瓦时（kWh），对于更大的能量，可使用MWh或GWh。

1kWh的能量，就是1kW的设备工作1小时所消耗的能量。

因此，1kWh = 1000×3600 =3.6×106J
AQA主考官建议AQA Examiner’s tip
能量（单位以kWh表示） = 功率（单位以kW表示）×时间（单位以小时表示）
能量（单位以J表示）= 3.6×106×能量（单位以kWh表示）
来自太阳的能量Energy from the Sun
从太阳到达地面的功率约为1.7×1017W。

图1所示为从太阳到达地面的能量发生了什么。

图1 来自太阳的能量
科学探索How science works
桑基图Sankey diagram
在桑基图（如图1所示）中，箭头宽度代表不同形式的能量的相对量。

也可用条形图和饼形图替代桑基图，但桑基图的优点是可以表明能量的流动情况。

到达地球的功率中，只有约1%用于形成风和波浪，或者被植物吸收。

剩余功率中，约30%被直接反射回太空，约46%使地球温度升高，约23%使水蒸发，最终形成雨水返回地球。

最终会达到一种平衡——其中从地球辐射的能量等于来自太阳的能量，从而使地球的平均温度保持恒定。

全球变暖是由于一些因素改变了这种平衡状态（参见第11章）。

来自不可再生能源的能量Energy from non-renewable resources
全球仍有大量的煤、石油和天然气供应。

煤是最丰富的化石燃料，据估算，全球的煤储量约为9煤是最11吨。

对于天然气和石油，目前估算的储量分别是170于天然12m3和1.1于天然12桶（商业出售石油以159升的桶盛装）。

图2、3和4所示为这些能源储量在全球不同区域的分布情况。

图2 已证实的煤储量
图3 已证实的石油储量
图4 已证实的天然气储量
AQA主考官建议AQA Examiner’s tip
重要的是，要能够对问题中提供的数据进行分析，或者能根据这些数据做出批判性评论。

数据可能是曲线图形式，也可能是各种形式的图表，因此，多练习诠释这些形式的信息。

使用这些燃料是可靠安全的，而且可以满足许多年的全球能源需求：煤可供应250年，石油可供应40年左右，天然气可供应30年左右。

然而，使用化石燃料，尤其是煤和石油，对环境问题提出了挑战。

下表所示为燃烧天然气产生的二氧化碳排放远低于燃烧其他化石燃料产生的二氧化碳排放，因此，鼓励发电中使用天然气而不是其他化石燃料，是有益的。

为此，地球物理学家应在寻找新的天然气资源中发挥重要作用。

英国自身可获得的不可再生能源Available non-renewable energy resources in the UK
英国的煤产量较低，而开采剩余的煤可能很快就会变得不合算。

预测结果显示，发电用煤正在降低，从2003年占发电总量的37%下降到2016年的9%。

对于发电量，这意味着从2003年的127TWh下降到2016年的28TWh；对于燃煤量，意味着从2003年的5.3×1010kg下降到2016年的1.2×1010kg。

据估算，2006年，英国可从未来的生产中获得的石油最多为3.9×1010桶。

与此同时，估计可获得的天然气的上限为2.3×1012m3左右。

虽然这些上限是可能值，但仍然意味着，截止2006年，英国油田和天然气田中几乎一半的石油和天然气已经被开采。

概括而言，这表明英国自身可提供的天然气、石油和煤是有限的，因此将变得越来越依赖进
口燃料。

这个因素和全球变暖问题，会促进可再生能源的使用增加，而且也促使重新考虑核电在满足我们能源需求中的作用。

英国的发电Energy production in the UK
英国平均电力需求为32GW左右。

将燃料转换成电力的效率并不高，英国发电厂的平均效率仅为38%左右，那么燃料中62%的能量是被浪费的（如图5所示）。

图5 发电厂的效率
图6所示为从1980年到2005年期间内利用不同能源进行发电的变化情况。

即使是2005年，相对于总发电量，利用可再生能源发电的发电量几乎小到看不见。

2005年，约4%的总发电量来自可再生能源，而其中大部分来自废气和废渣填埋所产生的沼气。

不管怎样，为电力生产行业设定的可再生能源利用目标为：到2010年占总发电量的10%，到2015年占15%，到2020年占20%，而且风电利用有可能会增加。

图6 利用不同能源进行发电
问题小结Summary questions
1 根据本节中假设使用的数据，确定：
a 英国油田的石油储量占全球石油潜在储量的百分率。

b 英国气田的天然气储量占全球天然气潜在储量的百分率。

2 每天有多少太阳能会被转换成风和波浪所携带的能量？
3 计算利用煤产生1MJ的能量时，排放到大气中的二氧化碳的质量。

4 1kg煤可以产生多少能量？单位分别以kWh和J表示。

5 参看图5，计算电力生产中浪费的能量（单位以GWh表示）。

10.3 能量输出Energy out
学习目标：Learning Objectives:
什么因素导致能源需求的增加？
在英国，能源是如何使用的？
能源使用如何影响碳排放？
参考大纲：3.2.2A
对于我们的文明和经济来说，获得能源是必要的，社会发展使人们对可靠的、负担得起的、洁净的能源的需求日益增长。

此外，将近16亿人，大约是世界人口的1/4，目前无法获得现代能源服务。

世界能源委员会（2004年）
除了需要能源来满足基本需求和奢侈品，许多社团利用能源来进行上下班通勤、开展国际业务和休闲旅游。

这些需求加快了能源使用的速度。

通过自然资源和/或工业制品的国际贸易，国家变得更加繁荣。

工业制品需要能源，因此，使以国民生产总值衡量的生活水平和能耗之间产生相关性。

随着经济发展，个人拥有更多的钱来购买必需品和奢侈品，从而导致了能耗的增加。

这个例子是正反馈，输出的增加会导致进一步增加。

如果目前的能耗趋势继续下去，据估计，未来25年内能源需求增加幅度将达到惊人的50%。

这并不奇怪，因为目前仍有将近1/4的全球人口无法获得现代能源服务——仍然无法达到大多数人享有的生活水平。

图1 增加的能源需求
科学探索How science works
正反馈Positive feedback
这是许多科学现象的共同特征。

医学中，像艾滋病之类的传染病通过类似的过程传播。

患有艾滋病的人越多，接触到艾滋病的人就越多，因此，感染上艾滋病的人就会越来越多，依此
类推。

物理中的例子还包括，核爆炸和晶体管热逃逸中连锁反应的过程。

英国的电力生产Electrical energy production in the UK
2005年，英国发电厂的电力生产能力约为65GW，远超过峰值需求50GW。

平均需求约为43GW，因此，生活用电和工业用电年消耗能量为379000GWh，其中约50000GWh（约13%）用于生活用电，剩余部分用于运输、商业和工业用电。

英国人口约为6千万，因此，以总人口进行平均，每人年均用电量约为6300kWh。

相比较而言，全球每人年均用电量为2600kWh，而最贫穷的国家每人年均用电量仅为1100kWh。

英国电力的50000GWh用于居民用电，相当于每人用电830kWh。

通过使用石油进行运输和使用化石燃料进行空间供暖和水加热，英国的平均总能耗不断增加。

自1990年到2005年期间，利用所有的燃料资源产生的能量增加了约8%。

图2中的图表所示为，该期间不同领域消耗的能源的变化情况。

特别要注意到，运输中使用能源所占比例的增加，主要是因为使用汽车和其他交通形式的增加，尤其是乘坐飞机通勤和休闲。

图2 1990年和2005年能源消耗
来源：英国商业、企业和改革部。

皇家版权材料的复制经过公共部门信息管理办公室的授权。

Figure 2 Energy use in 1990 and 2005.
Source: The Department for Business Enterprise and Regulatory Reform. Crown copyright material is produced with the permission of the Controller Office of Public Sector Information
科学探索How science works
政府决策Government decision making
英国商业、企业和改革部（BERR；旧称英国贸易工业部）提供关于发电和用电的数据。

英国环境、食品及农村事务部（Defra）搜集由于能源使用造成的变化，如污染、海平面和平均温度。

这些为政府关于未来如何发电的决策提供了参考信息。

可通过BERR和Defra网站浏览这些信息。

能源使用和碳排放Energy use and carbon emissions
图3所示为，二氧化碳排放随着全球能源使用增加的变化情况。

发达国家的碳排放稳步增长，而发展中国家（如中国）的碳排放大幅增加。

关于碳排放的影响，我们将在下章论述。

图3 二氧化碳排放不断增加。

来源：国际能源署（IEA），2004年
科学探索How science works
能源与伦理Energy and ethics
地球上能源的地域分布对国际经济和政治会产生重大影响。

这个问题是复杂的。

发达国家需要消耗更多的能源来维持现有生活水平，而发展中国家需要消耗更多的能源来提升生活质量。

造成的效果是能源需求持续增加，而从长远来看，这是不可持续的，而且对于地球来说也是危险的。

京都协议书作为国际协定（并不是所有的国家都认可），设定了努力解决该问题的目标。

二氧化碳排放Carbon dioxide emissions
燃煤会产生大量各种各样的气体，但我们不妨假定所有碳燃烧均产生二氧化碳。

1kW的加热器用电1小时耗费的电能为1kWh，即3.6×106J。

1kg的煤产生的热能约为36×106J。

发电厂的效率为30%左右，因此，产生3.6×106J的电能必须燃烧330g左右的煤（碳）。

1kg碳完全转换成二氧化碳可产生3.7kg二氧化碳。

因此，每kWh产生的二氧化碳的质量约为1.2kg。

碳足迹Carbon footprints
这是一项有益的活动，用于计算出由于我们能源使用导致的碳排放，并确定如何降低你在全球二氧化碳排放中所占的份额。

据估算，在英国，每人的年均碳排放量在10000kg和11000kg
之间。

相比较而言，美国普通公民的年均碳排放量为19000kg。

计算我们使用的能源时，记住我们或多或少会得益于为我们提供的交通、工业、商业和服务业——这些都会使用能源。

因此，计算我们家庭直接使用的能源时，必须加上这些能源。

我们的下列行为会导致碳排放：
⏹家庭用电和使用其他燃料。

⏹上下班交通和休闲旅游交通。

⏹我们购买的食物和物资的生产和交付。

⏹日常生活中使用的设备和材料（如一部分能源用于学校供暖、照明和教学器材）。

⏹服务业，如道路、医院、议会和兵役等。

记住，任何共用的活动（例如，公共交通工具）都可以降低个人的碳排放。

表1所示调查为年均碳足迹如何达到10.62×103kg。

表1
科学探索How science works
碳足迹Carbon footprints
在因特网上，你会发现很多计算器，自称可以根据你的家庭生活和活动估算你的碳足迹。

这些计算器是存在偏倚的，反映了为计算器提供数据的组织的利益。

尝试不同的计算器，并批判性地思考为什么使用不同的计算器获得的估算是不同的。

问题小结Summary questions
1 计算航空运输产生的碳排放所占的百分率。

2 利用图2确定2005年英国运输使用能源所占的比例。

3 描述筑路过程中的能源消耗方式。

AQA模拟考试练习题AQA Examination-style questions
1. (a) 图1所示为自从1970年以来，英国各种交通方式的能源消耗方式。

图1
来源：英国商业、企业和改革部。

皇家版权材料的复制经过公共部门信息管理办公室的授权。

阐述从这幅图表中可得出的结论。

（3分）(b) 图2所示为截止到2000年30年间英国各种交通方式的变化情况。

图2
来源：英国商业、企业和改革部。

皇家版权材料的复制经过公共部门信息管理办公室的授权。

(i) 解释图表中y轴刻度的意义。

(ii) 确定1970年到2000年期间哪项交通方式发生的变化最大，并计算其变化百分率。

(iii) 空运中每名乘客每公里产生的二氧化碳排放量为2×10-4吨。

根据图表来估算2000 年，英国运输所排放的二氧化碳总量。

（6分）。