能源科学导论第一章能量和能源

❖ 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。
能量. ❖ 核能:蕴藏在原子核内部的物质结构能.
(3)能量的性质
❖ 状态性 ❖ 可加性 ❖ 传递性 ❖ 转换性 ❖ 做功性 ❖ 贬值性
2 能量的转换
❖ 能量形态的转换:即能量的种类
❖ 能量的空间转换:即能量的运输
❖ 能量的时间转换:即能量的储存 能量的转换需要转换条件,必须在一定的设备 和系统中才可以实现,且满足能量守衡定律.
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。
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，劳动生产力增长很快。
❖ 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。
3 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。
❖ 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。
❖ 能量的传递包括转移与转换两种形式。转移是某种 形态的能量从一地转移到另一地，从一物转移到另 一物；转换则是能量由一种形态变为另一形态。
2 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
第三节 能源与人类文明
1 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。
第一部分 能量和能源
第一节 能量与能源
1 能量
(1)定义:产生某种效果(变化)的能力.
(2)能量的种类:
❖ 机械能:与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称 为动能，后者称为势能。
❖ 热能:微观分子的热运动时所具有的能量 ❖ 电能:与电子的流动与积累有关的能量 ❖ 辐射能:电磁波能 ❖ 化学能:物质结构能的一种,原子核外进行化学变化时放出的
按获得的方法分
❖ 一次能源: 可供直接利用的能源. 煤,石油,天然气,风能,水能
❖ 二次能源:由一次能源直接或间接转换而来 的能源. 电,蒸汽,焦炭,煤气,氢等
按能否再生分
❖ 可再生能源:不会随它本身的转化或人类的利 用而日益减少. 水能,风能,潮汐能,太阳能等
❖ 不可再生能源:它随人类的利用而越来越少. 煤,石油,天然气等.
石油和天然气
在大洋水层中的浮游生物是生成石油和天然气的原 料。大量的海洋生物死亡之后，就会下沉到海底， 泥沙覆盖它们的尸体，使这些不可计数的小尸体被 保存在海底。这些海洋生物尸体，被深深地埋藏在 泥沙中，与空气逐渐隔绝，这时那些不喜欢氧气的 细菌就会逐渐活跃起来了。它们会大量繁殖，辛勤 工作，使这些小生物的遗体慢慢发生生物化学变化： 将脂肪酸变成类似石油的烃类。把蛋白质变成芳香 烃类。在变化的过程中，一些气体和可溶于水的产 物慢慢散失了，结果会形成富含有机物质的黑糊糊 的半液体状的东西。我们就叫它有机质淤泥。这些 有机质淤泥在细菌的进一步作用下，经过数百万年 乃至几千万年缓慢的演变，才逐渐变成了液态的分 散石油。
水能
❖ 水不仅可以直接被人类利用，它还是能量的 载体。太阳能驱动地球上水循环，使之持续 进行。地表水的流动是重要的一环，在落差 大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿 物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景 广阔的替代资源。目前世界上水力发电还处 于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等 水运动均可以用来发电。
生物质能
❖ 绿色植物通过光和作用将太阳能转化为化学能，而 储存在生物质内部的能量，称为“生物质能”。通 常包括木材，森林工业废气物，水生植物，油料植 物，城市与工业有机废气物和人畜粪便等物质内部 的能量。生物质能资源，主要是农业废弃物及农林 产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃 圾等四个方面。目前生物质能的开发应用主要在农 村建立以沼气为中心的能量物质循环系统或建立以 植物为能源的发电厂等方面。
风能
❖ 风是流动的空气。但不是所有流动的空气都叫做风， 只有与地面平行流动的空气才叫风。太阳照在地球 上，使我们居住的地球变热。由于地球表面受热不 均匀，有些地方热得快些（比如沙漠、岩石），有 些地方热得慢些（比如湖泊、森林）。暖空气比冷 空气轻，轻的空气上升，冷空气涌过来占据原来暖 空气的位置。涌过来的空气顺着地面流动，这就是 风。上下流动的空气不叫风，是气流。风能是地球 上重要的能源之一。迄今为止，人类还没有充分认 识和利用风能。
❖ 地热能的另一种来源是地球转动能。
太阳能
❖ 太阳的能量来自一种氢元素原子核的聚变反 应。在太阳的中心部位存在着大量氢的同位 素氘和氚，而太阳内部在高温高压的条件下， 就好比是一个庞大的热核反应堆，氘和氚变 会发生核聚变反应，不断地生成元素氦，同 时释放出大量的光和热。生成的氦移动到太 阳的外层，进一步进行核聚变，又释放出光 和热。太阳就这样一层一层地反复发生核聚 变，从而永不停息的释放出大量能量。
波浪能
❖ 海洋上的波浪是风造成的。风与海面作用产 生波浪。水面上大小波浪交替，有规律地顺 风“滚”动着。水面下的波浪随风力不同作 直径不同，转速不同的圆周运动。海浪滚滚 而来，蕴藏着巨大的动能。将波浪的动能转 化为电能，将制造灾难的“惊涛骇浪”变为 人类的驯服工具，是人民梦寐以求的理想。 海浪发电，渔民们称大海“无风三尺浪，有 风浪滔天”。
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。
2 能源与人民生活
❖ 人们的日常生活处处离不开能源，不仅衣、 食、住、行，而且文化娱乐、医疗卫生等都 与能源密切相关。
海洋温差能
❖ 占地球表面71%的海洋，就像一个每天有太阳进行 充电的巨型蓄电池。每天，太阳将海水表面晒得暖 洋洋的，一般情况下，海水表层（0-50 米）水的 温度为24°C-28°C，水是热的不良导体，热不能传 导到海洋深处。在海洋深处（500-1000米），水 的温度约为4°C-7°C。利用海水表层与深层的温差 发电，将海洋热能变换为电能为人类所利用。温差 发电的原理与火力发电及核电的工作循环大致相同。
❖ 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。
3 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。
❖ 经济的增长和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， 能源消费与世界经济发展的趋势是一致的。
裂变能:重元素（如铀、钚等）的原子核发生 分裂时释放出来的能量；
聚变能:由轻元素（氘和氚）原子核发生聚合 反应时释放出来的能量；
放射能:原子核衰变时发出的放射能。
地热能
❖ 是来自地球深处的可再生热能,它来自地球的 岩浆和放射性物质的衰变。地球中存在相当 可观的放射性元素。放射性元素有个怪脾气， 它们不断地辐射出射线，同时产生能量。这 种热能的储量相当大，但是开发不易，且受 地质条件的限制。
❖ 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。
当然，还有其他的因素影响，如海底放射性元素、 温度等等，再加上埋在海底地下所承受的巨大压力。 经过漫长的岁月变迁，那些小生物的遗体就变成了 石油和天然气。在这沧海桑田巨变的漫长过程中， 泥沙固结成了岩石——沉积岩。生成的石油分布于 这些沉积岩之中，就形成了生油岩层。石油开始形 成时，是以分散的油滴状态存在的。当地层发生变 化时，由于地下水和地层压力的影响，分散的油滴 便慢慢地向有空隙和裂缝的岩石层中流动，积累， 直到找到满意的“家”——储油构造，才会定居下 来。如果由于地壳的变动，海洋变成了陆地，石油 也随之登陆了。
潮汐能
❖ 海水水位因引力作用，产生高低落差现象，称之为潮汐； ❖ 潮汐是由月亮和太阳的引力引起的。由于月亮离地球较近，
月亮的作用更大。月亮的引力作用到地球的陆地上，对陆地 几乎没有影响，岩石土地不易移动。但月亮的引力作用到地 球的海洋上，情况就不同了。水是流动的。海水非常容易流 动。月亮引力使地球面向月亮的那一部分的海水上涨，地球 的这个部分就出现高潮。由于地球自转的惯性离心力作用。 地球背向月亮的那一面也是高潮。有些地方当海水流向高潮 地区，这些地方就出现低潮。由于地球不停地自转，面向月 亮的地区不断更换，就引起了潮汐的不断变化。潮汐的形成 与地球自转直接相关。虽然太阳对地球的引力比月亮对地球 的引力小，但是当太阳与月亮、地球转到一条直线上时，太 阳与月亮的合力能推波助澜，使潮水涨得更高，因此每月的 农历初一-十五或十六出现大潮。
第二节 能源的分类与评价
1 能源
(1)定义:凡是能直接或者经过转换而获取某种能量的自然资源.
自然存在的:煤,石油,天然气,太阳能,风能,水能,地热能,核能
加工后的:煤气,电力,焦炭,蒸汽,沼气,氢能
(2)分类:
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
❖ 能量传递的途径主要有两条：由物质交换和质量输 运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。
❖ 在体系边界面上的能量交换通常以两种方法进行： 传热——由温差引起的能量交换，这是能量传递的 微观形式；做功——由非温差引起的能量交换，这 是能量传递的宏观形式。
❖ 通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功， 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；做功（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）。
按能源本身的性质分
❖ 含能体能源:可以直接存储. 煤,石油,天然气,地热能,氢能等
❖ 过程性能源:无法直接存储. 水能,风能,潮汐能,太阳能等
按对环境的污染情况分
❖ 清洁能源:对环境无污染或污染很小的能源. 太阳能,水能,海洋能等
❖ 非清洁能源:对环境污染较大的能源. 煤,石油等.
核能
原子核中的核子重新分配时释放出来的能量,即 原子能。核能可分为三类：
煤
❖ 煤的原料是植物体，是由远古时代的植物演变成的。 远古时代的植物体通过光和作用吸收太阳光的能量， 把二氧化碳、水分等简单的无机物变成了复杂的有 机体，同时把吸收的太阳能以化学能的形式蕴藏起 来，经过亿万年的沧桑巨变，这些植物体变成了煤。 当我们燃烧的时候，它就放出大量的热能，同时又 生成二氧化碳和水。原来我们燃烧煤炭所获得的能 量，正是亿万年的植物体通过光和作用所积蓄和保 存下来的太阳的光能。
按地球上的能量来源分
❖ 地球本身蕴藏的能量:核能,地热能
❖ 来自地球外天体的能源:太阳能和 由太阳能引起的:水能,风能,波浪能,海洋 温差能,生物质能,光合作用,化石燃ห้องสมุดไป่ตู้(煤,石 油,天然气)
❖ 地球与其它天体相互作用的能源:潮汐能
按被利用的程度分
❖ 常规能源:煤,石油,天然气,新柴燃料,水能等 ❖ 新能源:太阳能,地热能,潮汐能,生物质能,核能