大学物理选读材料——能源与环境

1、能源是人类进行生产和赖以生存的物质基础，它和材料、信息一起被认为是现代社会发展的三个要素。能源的消费水平是衡量一个国家经济状况、科学技术进步和人民生活水平的重要标志。解决能源问题对于发展国民能经济、提高人民生活水平、稳定社会秩序等方面，都有重要的意义。随着现代社会的发展，世界总人口的增长，对能源的需求量越来越大，世界各国十分重视合理地开发和利用能源。能源是现代文明的支柱，给人类带来了光明和幸福，但同时也给人类带来了环境污染，带来了灾祸。目前的环境问题，很大部分是由于能源发展，特别是能源矿产的利用引起的。利用多种能源资源和发展高效、清洁的能源技术是现代世界各国能源发展的目标。 能量的定义 物体具

2、有作功的能力称为物体的能量。能量是物质的属性，任何物质都具有能量，即使物质处于静止状态也有能量，但一般情况下只有当物质的静止能量转化为动能释放出来时才能作功。 虽然任何物质都具有静止能量，但不同的物质其静止能量转化为动能的难易程度及转化的数量差别是很大的。比较集中而又较易转化的物质和可以直接利用的能量资源(如太阳能)才能用作能源。能量的形式 能量有各种形式，各种形式的能量之间可以相互转化。能量的形式有以下几类：     (1) 机械能。包括动能和势能，是人类最早认识的能量。      (2) 热

3、能。      (3) 电能。      (4) 辐射能。     (5) 化学能。      (6) 核能。      (7) 生物能。 能量在量方面的变化，遵循自然界最普遍、最基本的规律，即能量守恒定律。能量守恒定律指出：“自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量

4、转换和传递过程中能量的总量恒定不变”。能源在一定条件下可以转换成人们所需要的各种形式的能量。例如，煤燃烧后放出热量，可以用来取暖；可以用来生产蒸汽，推动蒸汽机转换为机械能，推动汽轮发电机转变为电能。电能又可以通过电动机、电灯或其它用电器转换为机械能、光能或热能等。又如太阳能，可以通过聚热气加热水，也可以产生蒸汽用以发电；还可以通过太阳能电池直接将太阳能转换为电能。当然，这些转换都遵循能量守恒定律。运动是多种多样的，就其运动形态而论，运动可分为有序运动和无序运动，因此能量也可分为有序能和无序能。一切宏观整体运动的能量和大量电子定向运动的电能都是有序能；而物质内部分子杂乱无章的热运动所具有的能量是

5、无序能。根据热力学第二定律，有序能可以完全地、无条件地转换为无序能，但无序能不能自动地全部转化为有序能，无序能不能全部被利用，总有一部分要转移到环境中去，无序能转换为有序能是有条件的、不完全的。因此能量的转换特性，导致了能量不仅有"量"的多少，还有"质"的高低。自发进行的能量转换过程是有方向性的，当能量转换或传递过程中有无序能参与时就会产生转换的方向性和不可逆问题。因此可以说有序能比无序能更有价值。具有更高的品质。 有一种普遍的自然现象：摩擦生热。由于摩擦机械能转换为热能，即有序能转换为无序能。能量的转化从量级上看没有变化，但从品质上看却降低了，即它的使

6、用价值变小了，能量使用价值的降低称为能量贬值。摩擦使高品质能量贬值为低品质能量。能量贬值是自然界的普遍现象。 凡是能直接或者经过转换而获取某种能量的自然资源都称为能源。能源形式多样，有不同的分类方法。按地球上的能量来源分类：   (1) 地球本身蕴藏的能源，如：核能、地热能等。  (2) 来自地球外天体的能源，如：宇宙射线及太阳能以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能等。  (3) 地球与其它天体相互作用的能源，如：潮汐能等。 按被利用的程度分类：  (1)常规能源，如：煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能

7、等。  (2)新能源，如：太阳能、地热能、潮汐能、生物质能、核能等。获得的方法分类：  (1) 一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气等。  (2) 二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如：电、蒸气、焦炭、煤气等。按能否再生分类：   (1) 可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而日益减少，如：水能、风能、潮汐能、太阳能等。  (2) 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类：  (1) 含能体

8、能源，如：石油、煤、天然气、地热等，它们可以直接存储。  (2) 过程性能源，它们无法直接存储，如水风能、潮汐能、电能等。按对环境的污染情况分类：  (1) 清洁能源，对环境无污染或污染很小的能源，如：太阳能、水能、海洋能等。  (2) 非清洁能源，对环境污染较大的能源，如：煤、石油等。1. 储量 作为能源的一个必要条件是储量要足够丰富。在考察储量的同时还要对能源的可再生性和地理分布作出评价。比如太阳能、风能、水能等都可再生，而煤、石油、天然气则不可再生。能源的地理分布和使用关系密切，例如我国煤炭资源多在西北，水能资源多在西南，而工业

9、区却分布在东南沿海，因此能源的地理分布对能源的使用很不利。2. 储能的可能性与供能的连续性储能的可能性是指能源不用时是否可以储存起来，需要时是否又能立即供应。在这方面，化石燃料容易做到，而太阳能、风能则比较困难。供能的连续性，是指能否按需要和所需的速度连续不断地供给能量。3. 能量密度和能流密度 能量密度是指单位质量的物质释放的能量。煤的能量密度为，石油的能量密度为，裂变物质的能量密度要比常规燃料大上百万倍，如铀235的能量密度为。能流密度是单位时间内通过单位面积的能量。主要用来评价可直接利用的能源如太阳能、风能等。4. 开发费用和利用能源的设备费用太阳能、风能不需要任何成本即可得到。各种化石

10、燃料从勘探、开采到加工都需要大量投资。但利用能源的设备费用则正好相反，太阳能、风能、海洋能的利用设备费用按每千瓦计远高于利用化石燃料的设备费用。核电站的核燃料费用远低于燃油电站，但其设备费用却高得多。5. 运输费用与损耗太阳能、风能和地热能等很难输送出去，但化石燃料却很容易从产地输送至用户。核电站核燃料的运输费用极少，因为核燃料的能量密度是煤的几百万倍，而燃煤电站的输煤就是一笔很大的费用。6.品质能源的品位有高低之分，例如：水能能够直接转变为机械能和电能，它的品位要比由化学能转变为热能，再由热能转换为机械能的化石燃料的品位要高些。另外热机中，热源的温度越高、冷源的温度越低，则循环的热效率就越高

11、，因此温度高的热源品位比温度低的热源品位要高。在使用能源时，要适当安排不同品位的能源。7.对环境的影响对环境的影响不仅是指对环境的污染，还包括开采和开发过程中对生态平衡方面的影响。化石燃料对环境的污染大；太阳能、风能、氢能对环境基本没有污染。优良的能源是干净、安全、不破坏生态平衡的能源。由于生产力的发展和能源有着极为密切的关系，因此能源问题是现实社会中一个具有战略意义的重要问题。一个国家经济发展的快慢在很大程度上取决于这个问题的解决。自从进入20世纪，世界能源消费增长很快，1900年全世界能源的总消费量相当于7.75亿吨标准煤，到1980年就达到了大约100亿吨标准煤。从能源结构来看，20世纪

12、60年代以前大量应用的能源是煤、石油、天然气。由于石油的开发和利用，60年代石油用量急剧增加，在20世纪70年代末，石油和天然气的消耗量接近全世界能源消耗总量的70%左右。世界已探明的石油储量约为3000亿吨，按现在每年开采40亿吨的水平计算，现有储量只够开采70年。煤的可开采储量为6800吨，以目前每年消耗煤炭35亿吨计算，可供全世界使用200年。煤、石油、天然气等常规能源日趋枯竭，开发、研究新能源已是世界各国亟待解决的问题。一个国家的国民生产总值和能源消耗量大致成线性关系，据统计，1987年我国能源消耗量相当于10.8亿吨标准煤，按21世纪的50年内国民经济总产值翻两番的构想和专家的预测，

13、到2050年我国能源的总需求量大约是50亿吨标准煤，而我国的能源资源和生产能力大致只能提供总需求量的80%左右。同时随着人民生活水平的提高、汽车工业的发展，对液体燃料的需求量将大大增加，而我国石油储备量不足，共需矛盾将更加突出。发展新能源和新能源转化技术对我国经济建设也是一个非常重要的问题。世界经济发展和人类赖以生存的环境是不协调的，经济的发展和人口的增长给环境造成了巨大的压力，对发展中国家这种情况尤为突出。从引起环境问题的根源考虑，环境问题可分为两类：由自然力引起的环境问题和由人类活动引起的次生环境问题。第一类环境问题，主要指地震、洪涝、干旱、滑坡等自然灾害所引起的环境问题，对这类环境问题，

14、目前人类的抵御能力还很薄弱。第二类环境问题，又可分为环境污染和生态破坏两大类。   环境问题是一个全球性的问题。污染物可以在生物圈中停留相当长的时间，并且通过扩散或漂移输送到离污染源很远的地方。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，其主要表现为：     (1) 南极的臭氧层空洞正以每年一个美国陆地面积的速度扩大，受臭氧空洞的影响，太阳紫外线辐射使人类皮肤癌的发病率不断上升；     (2) 空气质量严重恶化，全球有1.25亿人口生活在污浊的空气中； 

15、    (3) 温室气体的过度释放造成全球气候变暖，沿海低地和一些岛屿国家正面临海水上涨的威胁；     (4) 全球有12亿人口生活在缺水地区，14亿人的生活环境中没有生活污水排放装置；     (5) 全球每年土壤的流失量达20Gt，全世界的森林正以每年的速度从地球上消失；     (6) 全球有12%的哺乳动物和11%的鸟类濒临灭绝；每24小时就有150200种生物从地球上消失；由于过度捕捞，有40多

16、种鱼类也濒临灭绝。   人类从来没有象今天这样意识和感受到生存环境所受到的威胁，社会也从来没有象现在这样期盼生活空间质量的改善。   能源作为人类赖以生存的基础，在其开采、输送、加工、转换、利用和消费过程中，都直接或间接地改变着地球上物质平衡和能量平衡，必然对生态系统产生各种影响，成为环境污染的主要根源。   能源对环境的污染主要表现在：   (1) 温室效应    空气中的氧、氮、氢等双原子气体的辐射能力微不足道，均可看作是透明体。然而二氧化碳和水蒸气等三原子气体都有相当大的辐射能力和吸收能力

17、。这些气体的辐射和吸收有选择性，它们只能辐射和吸收某些波长区间的能量。对二氧化碳这类气体，它们能让太阳的短波辐射自由地通过，同时却吸收地面发出的长波辐射。这样一来，大部分太阳短波辐射可以通过大气层到达地面，使地球表明的温度升高；与此同时，由于二氧化碳等气体强烈地吸收地面的长波辐射，使散失到宇宙空间的热量减少，于是地面吸收的热量多，散失的热量少，导致地球温度升高，这就是所谓的“温室效应”。   (2) 酸雨    天然降水的本底PH值为6.55，一般将PH值小于5.6的降水称为酸雨。可能引起酸雨的主要物质是二氧化硫和二氧化氮，它们形成的酸雨占总酸雨量的90

18、%以上。二氧化硫和二氧化氮物质的90%都是燃烧化石燃料造成的。   酸雨以不同的方式危害水生生态系统，陆生生态系统、腐蚀材料和影响人类身体健康。酸雨会使湖泊变成酸性，引起水生生物死亡。酸雨是造成大面积森林死亡的主要原因。酸雨也加速了建筑物、工业设备的腐蚀，影响人类身体健康。   (3) 破坏臭氧层   造成臭氧层破坏的原因是人类过多地使用氟氢类物质和燃料燃烧产生的N2O所致。臭氧(O3)是氧的同素异性体，它存在于地面10km以上的大气平流层中，吸收掉太阳辐射中对人类、动物、植物有害的紫外光中的大部分，为地球提供了一个防止太阳紫外辐射的屏障。   (4) 热污染    用江河、湖泊水作为火力发电厂和其它工业锅炉、工业炉窑等用热设备的冷却水，冷却水吸收热量后，温度将升高，然后再返回自然水源。于是大量热量排入自然水域，引起自然水温升高，从而形成所谓的热污