03能源

第3讲能源、化学和社会——可持续发展能源是经济发展的原动力，是社会繁荣和发展的物质基础。★为工业提供动力★为农业提供保障★推动科学技术进步★促进人们生活的改善人类进步的历史表明，每一次能源科技的突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。大量使用化石燃料带来严重后果★资源日益枯竭★环境不断恶化★诱发国与国、地区与地区之间的政治纠纷，甚至冲突和战争★能源供需之间的矛盾越来越尖锐因此，如何合理利用现有能源，开发新能源，保障能源安全供应和实现能源、经济、环境的协调与可持续发展成为人类社会迫切关注的问题。能源科技发展的每一重要环节都与化学息息相关★化石燃料的高效洁净转化★核能的控制与利用★新型绿色化学电池的研制★新能源如氢能、太阳能、生物质能等的开发“作为一个国家，我们需要越来越多的能源……我们可以开发能源，我们可以生产和使用能源，并且我们可以在对自然环境加以良好保护下这样做”RichardBruceCheney，美国副总统，2001一、能源及其分类二、能量的转化和利用三、传统能源四、现代新能源五、能源的节约利用能源及其分类能源是什么？能源是指能够提供某种形式能量的资源。它既包括能提供能量的物质资源，如煤炭、石油、天然气、氢能等，又包括能提供能量的物质运动形式，如太阳能、风能等。能源及其分类能源分类按能源的来源★来自地球以外天体的能量，最主要的是太阳辐射能，除此之外，地球上的绝大部分能量，如煤、石油、天然气、水能、风能等，最终都来源于太阳热核反应所释放的能量，“万物生长靠太阳”说的就是这个道理；★来自地球在形成过程中储存下来的能量，如地热能、核能；★由月球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量，如潮汐能。能源及其分类按能源的形成★一次能源是指自然界中存在的、可直接利用其能量的能源，如煤炭、天然气、石油、地热能、水能、风能、太阳能等；★二次能源是指需依靠其他能源经加工、转换而得到的能源，如电能、焦炭、汽油、柴油、氢能等。按能源能否再生★可再生能源。是指不随人类的使用而减少的能源，如生物质能、水能、风能、太阳能、潮汐能等；★非再生能源。是指随人类的使用而逐步减少的能源，如煤、石油、天然气等。按能源使用的成熟程度★常规能源是指人类已长期广泛使用的技术上比较成熟的能源，如煤炭、天然气、石油等；★新能源是指目前尚未大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如太阳能、氢能等。按能源性质★含能体能源是指能够提供能量的物质资源，如煤炭、天然气、石油等。这种能源若暂时不使用可以保存也可以直接储存运输；★过程性能源是指能够提供能量的物质运动形式，如太阳能、风能等。这种能源不能保存也很难直接储存运输。能源及其分类能源及其分类按能源消耗后能否造成环境污染★污染型能源如煤炭和石油；★清洁型（绿色）能源如太阳能、氢能、水能、电能和燃料电池。种类一次能源二次能源煤炭煤气、煤油、焦炭石油汽油、柴油、液化气常规能源天然气甲醇、酒精、植物秸秆电能、蒸汽水能核能风能新能源生物质能氢气太阳能沼气地热能激光潮汐能能源及其分类能量的转化和利用能量是什么？它有哪些形式？能量是对一切宏观、微观物质运动的描述，它是物质运动的量化转换，简称“能”。相应于不同形式的运动，能量分为机械能、电能、化学能、原子能、热力学能等。运动形式能量形式宏观物体的机械运动动能/势能带电粒子的定向运动电能分子运动热能原子运动化学能光子运动光能一般在常用语中或在科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。在物理学中，能量是描写一个系统或一个过程的一个量。它往往被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。由于功被定义为力作用一段距离，因此能量总是等同于沿着一定的长度阻挡大自然基本力量的能力。能量的转化和利用能量的转化和利用能量的转化形式有哪些？电能化学能热能机械能光能风能潮汐能火力发电厂外景能量的转化和利用火力发电厂示意图能量的转化和利用化学能热能机械能燃烧器电能涡轮机发电机总效率=燃烧器效率×沸腾器效率×涡轮机效率×发电机效率×输电线效率×家用电器热效率=0.60×0.90×0.75×0.95×0.90×0.98=0.34能量的转化和利用如何找到热值高的燃料？将已知燃料和过量氧气引入氧弹中，密封，浸入量热筒，电流通过熔丝点火，引发反应。最后根据温度计温度变化测定反应放出的能量能量的转化和利用CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)反应物的能量产物的能量CH4(g)+2O2(g)1mol2molCO2(g)+2H2O(g)1mol2mol能差=－802.3kJ(放热)能量的转化和利用CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)旧的化学键断裂，新的化学键生成分子总键数化学键变化键能/kJ总能量/kJCH44断裂+41116442O22断裂+494988CO22生成-799-15982H2O4生成-459-1836-802kJ能量的转化和利用能量的转化和利用活化能Ea过渡态过渡态反应物生成物反应物生成物能量的转化和利用热力学第二定律与自发过程化学能热能机械能燃烧器电能涡轮机发电机整个过程能量转化服从热力学第一定律！能量的转化和利用热力学第二定律与自发过程克劳修斯表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。开尔文表述为：从一个热源吸热，使之完全转变为功，而不产生其它变化是不可能的。热力学第二定律的实质：自然界中一切实际进行的过程（指宏观过程）包括化学反应都有一定的方向，不可能自发地按原过程逆向进行，即自然界中一切实际发生的过程都是不可逆的。能量的转化和利用热力学第二定律与自发过程自发过程是指不需要环境做功就能自动发生的过程。★水自高处向低处流；★热自动由高温物体传向低温物体；★气体从压力高的地方流向压力低的地方；★铁器在空气中会生锈。能量的转化和利用热力学第二定律与自发过程★当系统与环境之间没有物质和能量交换时，即孤立系统，自发过程的结果，使系统的混乱度增加，系统趋向于取得最大的混乱度。在热力学中，系统的混乱度用熵(S)表示，混乱度越大，熵就越大。也就是说，对于孤立系统，系统向着熵增大的方向进行。★一切自发过程都具有一种潜在的“推动力”，可以利用这种推动力来做功，自发过程都具有做功能力，使系统能量处于最低。物质系统变化的方向传统能源化石燃料国家/地区能源消耗总量石油天然气煤炭水电核能美国2297.8(100)914.3(40)566.8(25)573.9(25)60.9(2)181.9(8)中国1178.3(100)275.2(23)29.5(3)799.7(68)64.0(5)9.8(1)俄罗斯670.8(100)124.7(19)365.2(54)111.3(17)35.6(5)34.0(5)日本504.8(100)248.7(49)68.9(14)112.2(22)22.8(5)52.2(10)印度345.3(100)113.3(33)27.1(8)185.3(54)15.6(4)4.1(1)德国332.2(100)125.1(38)77.0(23)87.1(26)5.7(2)37.3(11)巴西181.4(100)84.1(46)14.3(8)11.0(6)68.9(38)3.0(2)亚太2908.4(100)1049.1(36)310.9(11)1306.2(45)137.5(4)104.7(4)合计9741.1(100)3636.6(37)2331.9(24)2578.4(26)595.4(7)598.8(6)2003年世界一些国家和地区一次能源消耗情况传统能源化石燃料2010年世界一次能源消费结构单位：百万吨油当量国家原油天然气原煤核能水力再生总量美国850.0(37)621.0524.6192.258.839.12285.7中国428.698.11713.5(70)16.7163.112.12432.2俄联邦147.6372.7(54)93.838.538.10.1690.9巴西116.923.812.43.389.6(35)7.9253.9法国83.442.212.196.9(38)14.33.4252.4新西兰6.93.71.0-5.51.8(9.5)18.9传统能源★煤与洁净煤技术工业革命时期英国的一家煤矿1g木材：10-14kJ1g煤：30kJ煤与洁净煤技术★煤的主要成分煤(coal):是由古生的植物随着地壳变动被埋入地下，经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用逐渐演化形成的可燃性固体矿物。煤是由有机物和无机物组成的混合物，主要化学组成为：C135H96O9NS，此外还含有少量的Si、Na、Ca、Al、Ni、Cu、Zn等；煤与洁净煤技术★煤的等级煤级固定碳质量分数/%燃烧热值/(kJ·kg-1)挥发分质量分数/%泥煤60~1.3×104__褐煤60~75(2.5~3.0)×10440烟煤75~90(3.0~3.7)×10410~40无烟煤90(3.2~3.6)×10440煤与洁净煤技术盖斯定律-400-300-200-1000C(s)+O2(g)C(s)+1/2O2(g)→CO(g)110.5kJCO(g)+1/2O2(g)CO(g)+1/2O2(g)→CO2(g)283.0kJCO2(g)C(s)+O2(g)→CO2(g)393.5kJ能量(kJ)煤与洁净煤技术★煤作为固体燃料的缺陷•开采困难、危险，代价高昂2008年我国共组织查处煤矿事故1901起，全国煤矿共发生重特大事故38起，死亡707人。2010年7月17日起3天连发4起矿难。形成地洞，导致腐蚀土壤堆积，导致地陷煤与洁净煤技术★煤作为固体燃料的缺陷•燃烧带来严重环境问题燃烧时产生硫氧化物和氮氧化物，会在大气中形成酸性沉降物。此外，产生温室气体二氧化碳。煤的储量比石油多20~40倍！•不适用多数运输业(尤其是汽车)作动力源•燃烧速度慢•存在煤渣等固体垃圾的处理问题煤与洁净煤技术★洁净煤技术洁净煤技术是指煤炭开发和利用过程中，旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化等一系列新技术的总称。煤与洁净煤技术★洁净煤技术洁净煤技术1煤的干馏焦炭+煤焦油+焦炉气2水煤气CO+H23合成天然气CH4+H2O4合成气(2+3)煤的汽化1直接液化法：高温高压下催化加氢2间接液化法：先制备CO和H2为主的合成气，再利用催化反应合成与石油、柴油类似的液化煤煤的液化传统能源★石油1g石油：48kJ1g煤：30kJ传统能源★石油石油(petroleum):是由远古大批冲至海底或湖泊中的动植物遗体，在地下经漫长的复杂变化而形成的棕黑色粘稠液态混合物。★石油的炼制★石油的炼制传统能源核能现代新能源世界最大的格拉弗林核电站位于法国北部的大西洋岸，估地150公顷，其中2/3是填海地。电站有6个核反应堆，每堆一个发电机组，功率90万千瓦，共540万千瓦.核能核反应堆核能★核能的源起Lise·Meitner(莉泽·迈特纳，1878－1968),与奥托·弗利西同时发现了中子作用下铀的裂变，为纪念她的工作，109号元素被命名为Meitnerium核能★核裂变反应核裂变反应(nuclearfissionreaction)：是用中子轰击较重(铀、钚)原子核，使之分裂成较轻的原子核的反应。144Ba+90Kr+20n235U+0n143Xe+90Sr+30n131I+102Zr+30n192563611138544053核能★核裂变反应核裂变是链式反应！核能★核裂变反应1g235U裂变放出的能量是多少呢？由爱因斯坦方程：ΔE=Δm•c2得：-9.0×107kJ相当于30吨TNT爆炸放出的能量！相当于燃烧3吨煤！可以把700000辆汽车向空中提升2米！核能核电站示意图★核能的利用核能★核发电与火力发电比较所具有的优势•能量巨大，且燃料能量密度高•发电成本低•它是一种清洁能源。无煤渣、无烟尘和无CO、CO2、NOx、SO2等有害气体排放•可建在交通不便的高山、海岛和沙漠特殊地域核能核反应堆核电有两个问题必须引起高度重视：•电站的运行安全•核废料的处理核能★核电站的