第1章能源环境与可持续发展

第一章能源、环境与可持续发展第一节能源概论

一、能量

（1）机械能是与物体机械运动或空间状态相关的能量，包括固体和流体的动能、势能、弹性能和表面张力能。

设质量为m的物体的运动速度为v，该物体的动能E可以用下式表示：k12mvE?

（1-1）k2受重力作用，不同位置高度的物体具有不同的重力势能。设物体的质量为m，高度为H，重力加速度为g，则物体的重力势能E可用下式表示：p E?mgH

（1-2）p物体由于弹性变形而具有做功的本领，这种能量叫做弹性势能。设物体弹性系数为k，，则物体的弹性势能用下式表示：物体的变形量为x12kx?E

（1-3）?2在不同物质和同一物质不同相的界面上，由于表面张力的存在而具有的做功能力称为表面张力能。设物体的表面张力系数为σ，界面面积为S，则表面张力能E可表述为：s?SE?（1-4）s（2）热能

设温度为T的系统的熵的变化为dS，则热能E可以表述为：q?TdS?E

（1-5）q（3）辐射能

T4?c()E?（1-6）0r100（4）化学能

（5）电能以电子的流动传递的能量。设驱动电子流动的电动势为U，电流强度为I，则电能E 可以表示为：e E?UI（1-7 ）e（6）核能是原子核内部粒子相互作用所释放的能量。核能要通过核反应释放能量。核核聚变。核裂变；③放射性衰变；

②反应有三种形式：①．

在热力学第二定律中，熵是不可用能的度量。熵的增加意味着系统的能量数量不变，但质量变差，做功的能力变低。因此熵增加意味着能量在质量上的贬值。如果环境温度为T，0△S ，则能量的贬值E为：系统的熵增为0SE?T?（1-8）00

图1-1 火用示意图

设在图1-1中，一台卡诺热机从高温热源吸收热量Q，对外做功W，向低温热源放热Q。热量Q 的火用为：o T??o Q1?Q?Q??EXW???oQ T??1-9）（Q?EX?AX

（1-10）

在一定的能量中，火用占的比例越大，其能质越高。我们定义一个能质系数φ。Q??EX/Q （1-11）Q T???o?1???Q T??（1-12）

T???o?10?1???T??（1-13）

表1-2

二次能

从资源的角度出发，还可以将能源分为可再生能源和不可再生能源。国际公认的可再生能源有六大类：

太阳能；?风能；?地热能；?

现代生物质能；?海洋能；?小水电。?

非洲中东美国3.0%加拿大4.8%22.2%3.0%法国2.5%中南美4.7%德国3.0%其它国家22.4%俄罗斯6.4%韩国英国中国2.1%印度2.2%15.0%日本3.7%5.0%①1-2 2005年世界各国的能源消费比例图

可燃可再生能源和废弃物其它水电10.0%核能0.5%2.2%6.3%煤25.3%天然气20.7%石油图1-3 2005年世界一次能源消费量构成

35.0

图1-4 纽约石油期货市场油价的变化（截止至2008年6月）

第二节能源与环境

一、能耗引起的环境污染

二、能耗引起的全球气候变化问题

(1)大气污染和酸雨（雪、雾），即跨国界的大气污染问题；

(2)温室气体排放问题；

(3)臭氧层破坏问题；

(4)土地退化和荒漠化问题；

(5)水资源短缺和水污染问题；

(6)热带雨林的迅速减少；

(7)生物多样性（包括基因、物种和生态系统）的破坏；

(8)有害废弃物的越境转移；

(9)海洋污染；

(10)人口增长过快。

这十大问题或多或少都与人类消耗能源有关，也或多或少与人类大规模的建设活动有关。其中最直接的，也是影响最大的问题是温室气体排放、酸雨和臭氧层破坏。

①1-5 温室效应示意图图

1从公元元年开始大气中温室气体浓度的变化图1-6

1年平均值为基准）199019611-7 图有气象记录以来地球表面温度的变化（以

1 1990年平均值为基准）1-8 海平面的变化（以1961～图为了评价各种温室气体对全球温暖化影响的相对能力大小，可以用“全球变暖潜势（global warming potential，GWP）”的指标参数：给定时间段内某温室气体的累积辐射强迫（1-14）GWP

同一时间段内CO的累积辐射强迫2

地球大气层构造图1-9

月）2006年9图1-10美国航空航天局（NASA）提供的南极上空图像（

全球臭氧减少单位质量某物质引起的?ODP引起的全球臭氧减少11CFC?单位质量）1-15 （

91-11 HCFCs淘汰时间表（2007年图b）发展中国家a）发达国家；中国的能源①月）

与环境第三节探明可开采量R 储采比P当年开采量

（1-16）。一次能（toe）电力（MWh）

2017.307181613.641412108.438.2358.2337.897.7077.7797.11186.2545.7865.76864.524.434.44.184.153.883.6242.5962.61.8

021.780.481.3220.4世1-12 200年我国人均能耗（电耗）与世界各国的比较纵观我国的能源消费状况，有以下几个显著特点：

7.16.25.0843.93.3864.43.1932.9872.7722.5422.3652.1721.9983.52

图1-14 我国电力装机量的增长（亿千瓦）

（1）我国的能源消费以工业为主

图1-15 2005年我国各部门能耗比例

）能源效率低2

（．

图1-16我国能源效率与2005年国际水平的比较（每千美元GDP消耗油当量）