第一章(能量与能源)

能源概论任课教师：周文铸

上海理工大学能源与动力工程学院

zwz.306@163.com第一章能量与能源第一章能量与能源第一节能量第二节能源的分类与评价第三节能源与人类文明第四节能源资源生产与消费第五节能源与环境第六节能源的可持续发展物质和能量是构成客观世界的基础。科学史观认为，世界是由物质构成的，没有物质，世界便虚无飘渺；运动是物质存在的方式，是物质固有的属性，能量则是物质运动的度量。宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换。第一节能量人类所认识的六种能量形式机械能热能电能辐射能化学能核能机械能机械能是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。机械能如果质量为m的物体的运动速度为v则该物体的动能Ek可以用下式计算：重力势能Ep可以用下式计算：机械能弹性势能的计算式为：表面能可用下式计算：k—物体的劲度系数X—物体的变形量σ—物体的劲度系数

S—物体的变形量热能构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。通常热能Eq可表述成如下的形式：

T—绝对温度S—熵电能电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。U—电势I—电强辐射能辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体的辐射能Er可由下式计算：

ε—物体的辐射率C0—黑体辐射系数化学能化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。高位发热量—完全燃烧时，燃烧产物中的水蒸气全部凝结成水时所放出的热量低位发热量—完全燃烧时，燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时所放出的热量低位发热量在数值上等于高位发热量减去水的气化潜热，由于在燃烧过程中，燃料中原有的水分及氢燃烧后生成的水均呈蒸汽状态随烟气排出，因此，低位发热量接近实际可利用的燃料发热量，所以在热力计算中均以低位发热量作为计算依据。核能核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。能量的性质状态性可加性传递性转换性做功性贬值性能量的转换能量在空间上的转移，即能量的传输。能量在时间上的转移，即能量的储存。能量的转换能量的传递一、能量传递的条件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。传递的推动力是“势差”：传热（ΔT）、导电（ΔU）、流动（ΔP）、扩散（ΔC）、化学反应（化学势差）。二、能量传递的规律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。导电： 传热：三、能量传递的形式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。四、能量传递的途径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。五、能量传递的方法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。六、能量传递的方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）。七、能量传递的结果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。八、能量传递的实质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。结果：能量被利用了，能源被消耗了。就能量利用的本质而言，人类利用的不是能量的数量而是能量的质量（品质、品位），即能的质量急剧降低，直至进入环境，最终成为废能。第二节能源的分类与评价能源的分类所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。能源的分类由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下五种不同的分类方法：一、按地球上能源形成的来源分；二、按能源的加工程度分；三、按人们对能源科技的掌握程度分；四、按能源能否再生分；五、按对环境的污染情况分。一、按地球上能源形成的来源分1、来自太阳的能量2、来自地球内部的热能3、来自放射性元素铀、钍等核裂变能和氘氚等核聚变能4、来自太阳、月亮对地球的引力能二、按能源的加工程度分一次能源，如煤炭、石油、天然气、太阳能、风力、水能、生物质能、海洋能、地热能等都是一次能源。二次能源，如电力、汽油、柴油、焦炭、煤气、蒸汽以及各种石油制品等。三、按人们对能源科技的掌握程度分常规能源，现阶段，煤炭、石油、天然气和水能和核裂变能是常规能源的主要组成部分；新能源，如太阳能、风能、潮汐能、地热能、海洋能等。四、按能源能否再生分可再生能源，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；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。五、按对环境的污染情况分清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。能源的评价能源多种多样，各有优缺点，为了正确选择和使用能源，必须对各种能源进行正确的评价。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一、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；（18世纪）

(4)电的发现及开发利用；；（19世纪）

(5)原子核能的发现及开发利用。（20世纪）二、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。能源与国民经济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。世界经济和能源发展的历史显示，处于工业化初期的国家，经济的增长主要依靠能源密集型工业的发展，能源效率也较低，因此能源弹性系数多大于1。

三、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。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。第四节能源资源生产与消费

1994年世界化石燃料探明可采储量1996年世界前七位国家的煤炭储量国家储量/Mt占世界比%美国24055823.3中国11450011.1澳大利亚909408.8印度699476.8德国673006.5南非553335.4波兰421001.1全世界合计10316101001973年和2002年世界硬煤产量的地区分布图1973年和2002年世界石油产量的地区分布图1973年和2002年世界天然气产量的地区分布图1971年和2001年世界一次能源供应量的地区分布图能源消费当今世界的能源消费仍以石油为主。1973年和2001年世界能源终端总消费量的构成1973年和2001年世界煤炭消费的行业构成1973年和2001年世界石油消费的行业构成1973年和2001年世界天然气消费的行业构成第五节能源与环境全球环境状况联合国最新公布的研究结果显示，在过去30年中，虽然国际社会在环保领域取得了一定成绩，但全球整体环境状况持续恶化。国际社会普遍认为，贫困和过度消费导致人类无节制地开发和破坏自然资源，这是造成环境恶化的罪魁祸首。全球环境状况世界经济发展和人类赖以生存的环境是不协调的，经济发展和人口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。全球环境状况全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受到威胁等多方面，同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和强度大幅增加。

1999年发现的臭氧空洞是有史以来观测到的最大一次，达到2600万km2的面积。天空正在塌陷全球正在变暖海平面上升与陆地淹没；

气候带的移动；

飓风的加剧；

植被的迁徙与物种灭绝；

洋流的变化与厄尔尼诺现象；

雨型的改变。CO2浓度/106温度偏差/ºC年份地球表面温度的历史变迁资料来源：TheCarbonDioxideinformationAnalysisCenter.OakRidgeNationalLaboratory.1995CO2浓度平均温度偏差地球森林覆盖量正在减少大气环境的三大问题20世纪80年代中期，在南极上空发现了臭氧空洞，它与地球变暖及所谓的温室效应和酸雨沉降问题构成全球性的大气环境问题，明显地危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注，使当今的世界环境问题具有明显的时代特征。世界十大严重污染城市中国占：个7因二氧化硫排放，每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元)严重局面!占全国排放比例：燃煤污染物SO2：85%CO2：85%NOx：60%粉尘：70%我国的污染现状我国城市空气污染综合指数的比较北石重济天广杭上南珠三大昆泉龙深杨厦莆桂章南宁海京家庆南津州州海昌海阴连明州岩圳州门田林州平港口庄我国城市空气质量达标情况对比

我国城市空气中主要污染物浓度变化趋势

年份

我国大气SO2浓度最高的城市状况

中日两国部分城市SO2浓度比较酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分图年份SO2排放量/万t我国SO2可能排放情况的预测温室效应我们的地球最近几十年来，地球日益变暖。地球为什么会变暖？是由于人类大量使用能源而放出的热量使地球变暖的吗？我们的地球人类一年使用的全部能源为80亿t石油，相当于331016kJ的热量如果把这些热量全部用于加热海洋，仅仅可以使海水温度上升610-5℃，即加热1万年，海水温度也只上升到1℃。地球变暖的原因到底是什么？人类使用能源一天所放出的热量＝0.11016kJ；地球一天从太阳获得的热量＝15001016kJ。地球变暖的原因到底是什么？太阳射向地球的光约1/3被云层、冰粒和空气分子反射回去；约25％穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，但以后又返回到太空；其余的大约37％则被地球表面吸收。这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新发射到天空。地球变暖的原因到底是什么？如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，地球表面的温度就会升高。温室气体CO2不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地球变暖。像CO2这类会使地球变暖的气体就称为温室气体，温室气体还包括水蒸气、SO、甲烷、氟利昂等。温室气体的来源

主要温室气体的含量与来源结论由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是地球变暖的主要原因。气候变化对环境的影响地球表面变暖，在远离赤道的地方变化最显著。虽然某些地区由于蒸发迅速和风型改变会变得更干燥，但全球降雨量增加。沿海岸的亚热带出现更潮湿的季风。在高海拔和高纬度地区更频繁地出现更大的风雪。在内地，大陆中部地区出现较早的雪融和潮湿的春季，夏季漫长且来得早，干旱更加频繁。气候变化对环境的影响在高纬度地区，农业条件会更好些。由于海水的边界向北移动，因此海洋冰量减少。沿海海平面每世纪上升几英尺。飓风更频繁、更强大，并向高纬度地区扩展。森林火灾更频繁、更严重。大量物种迅速灭绝。由于气候的原因，人口死亡率增加。Sealevelrise/mYear解决温室效应的对策提高能源的利用率，减少化石燃料的消耗量，大力推广节能新技术；开发不产生CO2的新能源，如核能、太阳能、地热能、海洋能；推广植树绿化，限制森林砍伐，制止对热带森林的破坏；解决温室效应的对策减慢世界人口增长速度，在农村发展“能源农场”，一方面利用种植薪柴树木通过光合作用固定CO2，另一方面燃烧薪柴比燃用化石燃料产生的CO2要少得多；采用天然气等低含碳燃料，大力发展氢能。酸雨何谓酸雨简单地说，酸雨就是酸性的雨。被大气中存在的酸性气体污染，pH小于5.65的雨叫酸雨。pH小于5.65的雪叫酸雪。在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾，pH小于5.65时叫酸雾。酸雨的pH范围酸雨的形成现代工业、农业和交通排放更大量，种类更多的污染物(包括酸碱性物质)，且与尘埃一起升到高空，与天上的水蒸气相遇，就会形成硫酸或硝酸液滴，使雨水酸化。这时，落到地面的雨水就成了酸雨。高硫煤和石油燃烧产生的SO2和NOx是造成酸雨的主要祸首。酸雨污染来源造成雨水酸化之污染物很多，其污染来源大致可分为两类：一类为自然物质，另一类为人为物质。前者如火山爆发喷出的大量硫化物及悬浮固体物，自然水域表面释放的硫化氢，动植物分解产生的有机酸，土壤微生物及海藻释放的硫化氢、二甲基硫及氮化物等，都会使雨水的pH降至5.0左右。酸雨污染来源后者则为工业化后，燃料的大量使用，燃烧过程中产生CO、HCl、SO2、NOx及悬浮固体物，排放至大气环境中，经光化学反应生成硫酸、硝酸等酸性物质使得雨水的pH降低，形成酸雨。湿沉降干沉降自然来源人为来源酸化污染物酸雨污染来源酸雨的危害导致森林成片死亡，因为酸雨会损坏植物叶面和根部。使湖泊酸化，湖中鱼虾绝迹。破坏农田的土壤成分，使农作物减产甚至死亡。造成地下水酸化，引起对人体的危害。腐蚀建筑物和工业设备，造成重大的经济损失。对露天文物起腐蚀作用，加速文物资源的破坏甚至毁灭。酸雨对湖泊的影响酸雨因pH太低，造成泥土及岩石中的有毒金属元素溶解，流入地下水及河流中，使水中动物如鱼类等大量死亡。水生植物和以河水灌溉的农作物，因累积有毒金属，将经由食物链进入人体，影响人类的健康，这就是累积作用（concentrationeffect）。

酸雨对湖泊的影响在欧洲和北美洲，酸雨所引起的湖泊酸化情形十分严重。瑞典85000g个湖泊，其中约20000个已受到酸雨的影响。挪威有265个湖泊已经没有鱼虾；而加拿大已有400个“死湖”，以前有鲑鱼的河川，现在都看不到鲑鱼的踪影了。

pH对于湖中生物的影响pH影响<6<5.5<5.0<4.0食物的基本种类相继死去，例如，鱼类的重要食物来源无法在此酸碱值下生存。鱼类不能繁殖。幼鱼很难存活。因为缺少营养造成很多畸形的成鱼。鱼类因窒息而死。鱼群会相继死去假如有生物存活，将与之前的生物种类不相同。酸雨对农作物的影响酸雨会影响农作物的叶片，酸可以溶解叶表皮上的腊质，使植物的水分更易流失；同时土壤中的金属矿物因被酸雨溶解，造成矿物质流失，植物无法获得足够的养分。

受到酸雨危害的农作物左图为叶子受酸雨危害的情形；右图为显微镜观察到的叶子内部的组织酸雨对森林的影响酸雨除危害农作物之外，也危害森林，如阿尔卑斯山和西德黑森林，瑞士、英国等的森林中，半数以上的树木呈枯黄，枝叶凋落。在加拿大魁北克，在受损严重的山区，绝大部分的树木已经枯萎。另外，美国的针叶林也遭受伤害。酸雨对树木和土壤的影响酸雨对建筑物的影响酸雨腐蚀建筑物、公共设施、古迹和金属物质，造成人类经济、财物及文化遗产的损失。酸雨对希腊神殿，罗马遗迹和西德大教堂等历史性建筑遗迹也有很大影响。酸雨对建筑的影响酸雨对人类的影响酸雨对人体也有不良的影响。如可引起眼睛和皮肤疼痛，甚至脱发。酸雨污染对人类最严重的影响就是导致呼吸方面问题。二氧化硫和二氧化氮会引起呼吸系统的疾患，如哮喘、干咳、鼻子和咽喉过敏等。我国酸雨分布在我国覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达200多万平方千米的酸雨区是世界三大酸雨区之一。

酸雨控制对策制订酸雨和SO2污染控制区综合防治规划。限制高硫煤，洗煤，型煤。调整能源结构，削减SO2排放总量。做好SO2排污收费工作，运用经济手段促进治理。强化控制区环境监督管理。臭氧层的破坏臭氧层的破坏近几十年来，由于人类大量使用含氯、氟等元素的化学合成物质作为制冷剂，导致臭氧空洞的出现和不断扩大。近年臭氧空洞的面积已经达到2500万km2臭氧空洞的产生氯氟烃释放到大气中，再上升到高空时，会分解出氯原子。自由的氯原子遇上臭氧分子后，会夺走臭氧分子O3中的一个氧原子，使之变成为普通的氧分子O2。每一个氯原子可以把上万个臭氧分子变成普通氧分子。实验数据显示，平均每一个氯原子可以消灭1万个臭氧分子，其威力惊人。臭氧空洞的产生其结果是高空中由臭氧分子组成的臭氧层就被大大损耗，导致了臭氧层变薄，甚至出现臭氧空洞。臭氧空洞——人类的威胁根据调查显示，自1978年开始的10年内，全球各纬度平流层的臭氧含量降低约1.2%至10%不等，南极上空则是臭氧被破坏最严重的区域，甚至在春季期间更会出现所谓的“臭氧空洞”。臭氧空洞——人类的威胁南极上空的臭氧层是在20亿年的漫长岁月中形成的，可是仅在一个世纪里就被破坏了60％。目前全球臭氧层削减率正以每年2%至3%的速度在进行，如果任其发展，在21世纪末，平流层臭氧含量将降至目前的一半以上，届时，人类将会面临一场空前的浩劫

!历年的南极臭氧臭氧层被破坏的后果地球上的生物能在陆地上生活，是因为集中在平流层中的臭氧对于阳光中的紫外线具有隔除的作用，如果没有臭氧层，进入大气层的紫外线就很容易被细胞核吸收，破坏生物的遗传物质DNA，陆地上的生物便无法存在了。而这个臭氧层目前正受到人类持续不断的破坏。臭氧层被破坏的后果据科学研究，臭氧减少10%，紫外线可能增加20%，皮肤癌患者可能增加30%，此外还会产生下列几种现象:

(1)白内障罹患率增加；

(2)免疫系统受到抑制；

(3)谷物的收成减少，品质降低，植物和浮游生物减少，破坏自然界的生物链；臭氧层被破坏的后果

(4)塑料、橡胶制品加速老化；

(5)紫外线直射会引起对流层臭氧的增加，致使产生光化学烟雾，造成空气污染。臭氧层变薄对健康的危害保护臭氧层目前，最早使用CFCs的24个发达国家已于1985年和1987年分别签署了限制使用CFCs的《维也纳公约》和《蒙特利尔议定书》。1993年2月，中国政府批准了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案》，确定在2010年完全淘汰消耗臭氧层物质。

保护臭氧层人类尚未找到对已被破坏的臭氧层进行补救的措施，但全世界正努力限制和停止对消耗臭氧层物质的生产和使用。另一方面，人类正努力开发无害的制冷剂、发泡剂等。任何关心保护臭氧层的普通人都可以通过选择对臭氧层无害的消费品，来参与保护臭氧层行动。热污染何谓热污染热污染是指日益现代化的工农业生产和人类生活中排放的各种废热所造成的环境污染。热污染可以污染大气和水。

火力发电厂、核电站和钢铁厂的冷却系统排出的热水以及石油、化工、造纸等工厂排出的生产性废水中均含有大量废热。

热污染对水生生物的影响热污染首当其冲的受害者是水生生物。由于水温升高，使水中溶解氧减少，水体处于缺氧状态，同时又使水生生物代谢率增高而需要更多的氧，造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡，从而影响环境和生态平衡。热污染对人体健康的影响河水水温上升给一些致病微生物造成一个人工温床，使它们得以滋生、泛滥，引起疾病流行，危害人类健康。随着人口和耗能量的增长，城市排入大气的热量日益增多。按照热力学定律，人类使用的全部能量终将转化为热，传入大气，逸向太空。热污染对大气的影响使地面反射太阳热能的反射率增高，吸收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造成局部地区干旱，影响农作物生长，使土壤沙化。热污染对大气的影响近一个世纪以来，地球大气中的二氧化碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎热的城市，变得更热。专家们预测，如按现在的能源消耗的速度计算，每10年全球温度会升高0.1℃～0.26℃；一个世纪后即为1.0℃～2.6℃，而两极温度将上升3℃～7℃，对全球气候会有重大影响。造成热污染的根本原因造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。随着现代工业的发展和人口的不断增长，环境热污染将日趋严重。如何减少大气热污染?提高热效率可减少热污染；利用废热也可减少热污染；利用降温冷却减少大气热污染。放射性污染放射性污染放射性现象的发现，核能的开发带给人类的另一巨大福利是核技术在科研、教育、医疗、工业、农业等许多领域中的广泛应用，这种应用也伴随着现实的或潜在的放射性污染。

放射性污染在和平利用核能的过程中，放射性污染主要是在核电厂等核设施营运、放射性同位素和射线装置应用等过程中产生的。管理严格、设计良好的核电厂在正常运行时，产生的放射性污染很小。放射性污染但是，核电厂等核设施从建设、运营及退役全过程中都存在着潜在的放射性危害。若不加强管理，核电厂在任何环节发生事故时，都会造成严重的放射性污染，威胁公众健康。放射性污染从污染物对人和生物的危害程度看，放射性物质污染要比其他污染严重得多。正因为如此，从核能开发以来，人们就对放射性污染的防治极其重视，采取了一系列严格的措施，并将这些措施以法律的形式明确下来。能源对人体健康的影响能源对人体健康的影响