能源概论第一章

现代科学认为：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，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。？？

能量和物质质量的关系:质能方程E=mc2600MW燃煤发电厂,年耗煤2000000吨,核电站耗U235燃料1吨转变成能量的物质只有640g质量和能量可以相互转化并守恒宇宙间一切运动着？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。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。是较”高级”的能量机械能如果质量为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：

热能_较低级的能量形式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：

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。辐射能_仅存在于传递过程中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：与温度高低关系很大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。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。核能应用的理论依据既质能方程能量的性质状态性(与温度、压力、速度，体积、动量等有关）可加性（与物质的量有关）传递性（空间或物质间转移，传热学和流体力学）转换性（热力学）做功性（yong

效率）贬值性（质的高低，高温到低温，机械能到热能）能量的转换从一种形式转变成另一种形式;能量在空间上的转移，能量的传输;能量在时间上的转移，能量的储存。能量的转换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。能量传递过程的特点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。Q=KA△t,

K=1/R能量传递过程的特点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。能量传递过程的特点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；（运动和流动过程）在体系边界面上的能量交换称为交换能。（汽轮机、内燃机、面式换热过程）室内采暖的例子能量传递过程的特点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）。能量传递过程的特点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。能量传递过程的特点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。能量利用的本质：人类利用的是能量的“品质”而非数量，即能量的质量降低，直至进入环境成为废能。第二节能源的分类与评价能源的分类自然资源包括煤、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，因此有以下六种不同的分类方法：（1）按地球上的能量来源分；（2）按被利用的程度分；（3）按获得的方法分；（4）按能否再生分；（5）按能源本身的性质分；（6）按对环境的污染情况分。按地球上的能量来源分来自于地球本身，如核能、地热能等；来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。按被利用的程度分常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。按获得的方法分一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，是高品质的能源。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。按能源本身的性质分含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；过程性能源（非燃料能源），如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等，它们无法直接储存。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（太阳能和风能密度小）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。能源更迭与社会发展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。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。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。能源与国民经济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。能源与国民经济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。

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。能源与人民生活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能源消费当今世界的能源消费仍以石油为主。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。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。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。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。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。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。

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根据最新的卫星和地面观测网的资料，今年臭氧空洞的面积已经达到2千500万km2，预计可能达到或超过去年创纪录的2千800万km2

。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。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!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。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。热污染对人体健康的影响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。热污染对大气的影响专家们预测，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化石燃料燃烧时排放的大量粉尘、SO2、H2S、Nox等除了污染环境外，还会影响人体健康。能源对人体健康的影响过量的SO2会导致呼吸道疾病，最典