第十八章能源与可持续发展

第一节能源利用与社会发展1、能源在人类社会的发展中占据重要地位，它是人类社会发展的基本条件，是发展农业、工业、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。能源开发利用的广度和深度是衡量一个国家的科技和生产水平的主要标志之一。能源、材料、信息是人类发展的三大支柱产业。2、能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命，化学在能源的研究和利用过程中扮演重要角色。能源发展经历三个时期：A、柴草时期：火的发现－18世纪产业革命，用于烧制陶瓷和冶炼金属；B、煤炭时期：13世纪开采，18世纪中大规模开采，1769年瓦特发明蒸汽机，产生第一次产业革命；C、石油时期：60年代超过煤。三次重大突破A、发明蒸汽机，产生第一次产业革命；B、电力发明使人们的生产活动进入电气时期；C、原子能发明使人类进入开发和利用核能的新纪元。能源：凡是能提供能量的物质资源都叫能源能源发展历史：(1)火的利用（2）化石能源的利用（3）电能的利用（4）核能的发现能源的分类1.从来源上分来自地球以外天体（主要是太阳辐射能）煤、石油、天然气等风能、水能草木燃料生物质能沼气地球本身蕴藏的能源：地球与其他天体相互作用产生的能源：原子核能地热能潮汐能4．按能源的利用，即可否被广泛利用，可分为2、按能源原有形态是否改变，可将能源分为一次能源：太阳能,风能,水能,石油,草木燃料,煤,潮汐能,

天然气二次能源：(由一次能源加工转换):电能,蒸汽,汽油等3．按能源能否“再生”，即自然界能否源源不断的提供，可将能源分为可再生能源：太阳能,风能,水能,氢能,草木燃料,潮汐能等非再生能源：电能,核能,煤,汽油,天然气等非常规能源(新能源):太阳能,风能,氢能,核能,潮汐能等常规能源：水能,电能,草木燃料,煤,汽油,天然气此外，能源还可分为清洁能源和非清洁能源等。第二节核能复习提问1、原子核是由什么组成？是由质子和中子组成的

原子核发生变化时，能量有什么变化呢？一、核能开发的历史进程1.1919年，英国卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，使其嬗变成氧原子。2.1932年，查得威克发现中子3.1934年，法国约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很快放出正电子蜕变为硅。4.卢瑟福（1933）和爱因斯坦（1935）均没有意识到原子能的实际利用近在眼前。核能开发的历史进程1.1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，裂核能力更强。费米因此获38年诺贝尔物理奖。2.1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要放出大量能量。3.费米提出链式反应概念。4.1939年9月1日，第二次世界大战正式打响核能开发的历史进程1.1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，裂核能力更强。费米因此获38年诺贝尔物理奖。2.1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要放出大量能量。3.费米提出链式反应概念。4.1939年9月1日，第二次世界大战正式打响核能开发的历史进程1.1940年，美国政府正式大量拨款，启动“曼哈顿工程”，格罗夫斯将军为行政首脑2.1941年12月－1942年12月，费米在芝加哥研制原子反应堆3.铀235、钚239的提纯4.1943年1月－1945年7月。奥本海默在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯主持原子弹研制。5.7月16日凌晨5时30分，第一颗铀原子弹试爆成功。比一千个太阳都亮。6.曼哈顿工程：动员50万人，耗费22亿美元，占用全国三分之一的电力核能开发的历史进程1.1944年底，盟军的特工小组已经发现德国造不出原子弹2.科学家的犹豫：继续干吗？缺乏政治和道义上的支持不干吗？不符合现代科学技术的精神好的理由：应该让全人类知道它的威力3.齐拉德、爱因斯坦的态度4.1945年8月6日，铀弹小男孩投到广岛；8月9日，钚弹胖子投在长崎核能开发的历史进程1.核军备竞赛：盟国之争2.45年8月，斯大林下令抓紧研制原子弹3.1949年8月，苏联成功地进行了核实验4.1952年11月1日，美国试爆第一颗氢弹5.1953年8月，苏联研制氢弹成功6.1952年10月3日，英国研制成功原子弹7.1960年2月13日，法国研制成功钚弹8.1964年10月16日，中国试爆成功原子弹1.1公斤核燃料相当于2500吨煤2.1954年，苏联建成第一座小型原子能电站；1956（英国），1957（美国）3.核电站：成本低、污染小、效率高，但事故太可怕4.1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号机组发生爆炸。人为造成三道安全措施无效5.1979年3月28日三里岛核电站二号堆事故，由于多重安全系统发挥作用，后果不严重6.核聚变核能开发的历史进程一、核能－－－原子核发生改变所产生的能量获得核能有两种途径1、裂变2、聚变－质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放能量的过程是使２个质量较小的原子核结合成较大的新核，并释放能量的过程例：原子弹例：氢弹

太阳－－链式反应－－热核反应3、聚变威力更大(1)裂变科学家们发现用中子轰击铀235时，铀核会分裂成大小差不多的两部分，这种现象叫做裂变.1kg铀中的铀核如果全部发生裂变，释放出的能量大约相当于2500t的标准煤完全燃烧所放出能量.链式反应用中子轰击铀核，使铀核发生裂变，放出能量.铀核分裂时，还同时放出2～3个中子，又可以轰击其它铀核，使它们也发生裂变.这些铀核分裂时，同样放出中子，从而引起更多的铀核发生裂变.于是裂变反应便会链锁式地自行持续下去.这种现象叫做链式反应.如果对裂变的链式反应不加控制，在极短时间（约百万分之几秒）会释放出大量核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的.核反应堆为便于和平利用核能，必须控制链式反应的速度，使核能缓慢而又平稳地释放出来.为此，人们制成了一种专门装置——核反应堆.核反应堆能缓慢、平稳地释放核能.设疑：核能这么巨大，难道只能用于战争吗?如何才能有效地控制核能的释放？二、核能的和平利用――核电站如果使原子核的裂变和聚变在可控制的条件下缓慢进行，释放的核能就可有效地利用。核能的和平利用――核电站

思考：在电站工作过程中，能是如何转化的？核能→内能→机械能→电能核能的和平利用――核电站

二、核能的和平利用－－核电站1、能量转化：核能内能机械能电能2、我国第一座自行设计建造的核电站：－－秦山核电站3、存在的问题：－－放射性污染核电站的废物处理系统放射性物质的标志（2）聚变科学家们发现，某些质量较小的原子核结合成质量较大的原子核时，也能释放出核能，这种现象叫做核聚变，简称聚变.聚变是获得大量核能的另一重要途径.前面讲过，原子弹是利用重核裂变现象制成的.而另一种威力更大的核武器——氢弹，则是利用轻核聚变现象制成的.氢弹――根据核聚变的原理制成。威力比原子弹还大。聚变又叫热核反应一个氘核由一个质子和一个中子组成，一个氚核由一个质子和二个中子组成，它们发生聚变反应结合成由二个质子和二个中子组成的氦核时，要放出一个中子，并释放出核能.一定质量的氘核和氚核聚变时放出的能量要比等量的铀核裂变时放出的能量大几倍.聚变需要在几百万摄氏度的高温下才能发生，因此聚变又叫热核反应.自然界中的热核反应自然界中，太阳内部的温度高达摄氏1千万度以上，在那里就进行着大规模的聚变反应.太阳辐射出的光和热，正是由聚变反应释放的核能转化而来的.可以说，地球上的人类每天都享用着聚变释放出的能量.

第三节太阳能太阳能利用概况和特点太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤

(它是人类的“能源之母”）它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。⑧随处可取1、太阳能取之不竭，使用方便，能再生，无污染。以太阳能的利用为主的可再生能源潜力极大，据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，每年太阳提供的能量是世界人口商品消费量的1.5万倍。（每秒钟相当于1.3亿亿吨标准煤，即5.2×1023KW.h/s，其中1／22亿传到地球，2.8×1024J/a，为目前人类所需能量1万倍）（1）光－热转换。基本原理：使太阳光聚集，用来加热一些物体获热能。装置：A、平板型集热器如太阳能热水器；B、抛物面型反射聚光器如太阳能聚光灶，太阳炉。转换形式太阳能热水器6000万平方米我国十五发展目标

（2）光－电转换基本原理：利用“光－电效应”；装置：太阳能电池如硅电池（转换效率13－20％）；存在问题：成本高，受昼夜、天气影响，难以大规模使用；目标：沙漠地带铺设带有硅电池的集光板。若能利用撒哈拉大沙漠全部辐射能的1％，足以供给全世界，我国第一座建在甘肃省。太阳能发电站光伏发电达8万千瓦我国十五发展目标

（3）光－化学转换是利用太阳能的最主要、最根本方式。绿色植物的光合作用，但不能完全受人控制。

CO2＋H2O→糖＋O2其核心化合物是叶绿素。目标：寻找各种“完全可控的”光－化学转换方法如模拟光合作用。设想：建立“宇宙太阳能站”来收集阳光。“同步空间站”（距地面35600千米）太阳能→电能→微波→地面接收站→电能第四节能量转化的基本规律兔子吃草草人吃兔子太阳太阳能草的能量兔子的能量人或其他动物能量光合作用兔子吃草人或其他动物吃兔问题1、豆子的生长是否可逆？电影技术能否做到？问题2、你能否再举一例？问题3、火炉把自己的内能传递给房间里的空气，供人取暖；到了春天，能否把这些内能重新收集起来，来年再用？问题4、汽车制动，由于摩擦，动能转化为地面和空气的内能，这些能量能够自动开汽车吗？问题：能量的转移和转化有一定的方向性。说说木材燃烧过程的能量转化?可以逆向转化吗?热水袋在使用过程能量如何变化?可以逆向转移吗?能量的转化钻木取火水力发电风力发电太阳能发电光合作用原子弹爆炸机械能-->热能水能

-->电能风能

-->电能太阳能-->电能太阳能-->化学能核能

-->热能能量转移和能量转化的方向性能量的转化和转移是有______的，在能量的转化和转移的过程中__________，因此不是什么能量都可以利用，能量的利用是有_______的，也是有_____的。方向性利用能量条件代价能量守恒定律能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变。

能量既不会

，也不会

，它只会从一种形式

为另一种形式或从一个物体

到另一个物体。而能的总量

。消灭创生转化转移保持不变总结：“消耗能量”“利用能量”“获得能量”的实质是：能量相互转化或转移的过程。能的转化和守恒定律：永动机永动机”制造一直失败的原因是：它违背了：能量的转化和守恒定律

下列说法中错误的是：

A、能的转化和守恒定律只适用于物体内能的变化B、只要有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律C、能的转化和守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器D、任何一种形式的能在转化为其它形式的能的过程中，消耗多少某种形式的能量，就能得到多少其它形式的能量，而能的总量保持不变

A遵循能量的转化和守恒定律的事件是否一定会发生呢？第五节能源与可持续发展能量转换装置的效率计算公式：什么叫热机效率？怎样提高热机效率？能源危机与环境污染1.为什么人类社会发展会有能源危机的发生？

①常规能源储量有限，开发不合理，浪费严重；②人类社会发展对能源的需求日益增加；③新能源的开发和利用需要解决一系列技术问题2.能源的大量使用给人类的生存环境带来了哪些问题？①酸雨②温室效应③臭氧层的破坏④土壤酸性化⑤生态平衡的破坏……能源危机和能源利用对环境所造成的污染与破坏已成为人类共同关注的世界性问题。火电厂火电厂给环境带来的污染被酸雨毁坏的森林节能和提高能量利用效率是最主要的。解决能源危机的措施有开发和使用新技术。如发电，我国发电终端平均能效只有30%，如果采用IGCC（整体联合循环发电）、超临界发电技术、增压循环流化床等技术，现已可提高到36-46%，今后几年有可能达到56-60%。其中也有大量化学问题要解决，多学科交叉。提高使用清洁能源（如天然气）的比率。使用更多的‘可再生’能源（水力、风力、潮汐、地热）。使是用新能源。太阳能、氢能。核能燃料电池技术1、化石燃料的有效与清洁利用；2、适度发展核能；3、开发新能源；4、改变能源转换途径。

新能源是相对于传统的能源来说的，根据联合国1981年内罗毕会议精神，新能源可定