化学与生活第三章化学与能源.pptx

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本章主要内容,能源概述常规能源新能源生物质能源化学电源,第一节概述,能量是物质运动的基础，是物质之所以发生变化的原因,在自然界中处处充满能源，能量无所不在，如机械能，原子核能，电能，生物质能等，正是由于在这个世界上处处充满着能量，而且这些能量还可以相互转化，所以才使我们这个世界绚丽多彩，充满了生机和活力。

到底什么叫做能源？

能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式。

能源是人类生存和发展的重要物质基础，是人类从事各种经济活动的原动力，也是人类社会经济发展水平的重要标志。

能源的分类,能源种类很多，但按照它们的来源，大体上可分为三大类。

太阳能二地球本身蕴藏的能量三地球在其它天体的影响下产生的能量,太阳向地球辐射能量,1.太阳能,2.地球本身蕴藏的能量,如石油，煤炭，天然气等,3.地球在其它天体的影响下产生的能量,如利用潮汐能进行潮汐发电,以上三类能源统称为一级能源；而人类依靠一级能源来制造加工出许多适合于生产活动所需的能量形式如电能等，则统称为二级能源。

对于一级能源和二级能源，依据它们的形成方式、使用性质、可否再生及使用成熟程度又可将能源作如下分类：

按能源的形成方式可划分为一次能源和二次能源。

一次能源是自然界中存在的可直接使用的能源（如煤炭、石油、天然气、太阳能等）。

二次能源则是指经加工转化成的能源（如电、煤气、蒸汽等）。

按能源的使用性质可分为含能体能源和过程性能源。

含能体能源是指能够提供能量的物质能源（如煤炭、石油等），其特点是可以保存且可储存运输。

而过程性能源是指提供能量的物质运动形式（如太阳能、电能等），它不能保存，难于储存运输。

按可否再生又可将能源分为再生能源和不可再生能源。

再生能源是指不随人类的使用而减少的能源（如太阳能）。

不可再生能源则是随着人类使用而逐渐减少的能源（如化石能源）。

按现阶段使用的成熟程度又可将能源划分为常规能源和新能源。

前者是指人类已长期使用，且在技术上也比较成熟的能源。

而后者是指虽已开发并少量使用，但技术上还未成熟而未被普遍使用、却具有潜在应用价值的能源。

能源分类图：

化学与能源的关系,20世纪是化学工业蓬勃发展的世纪，化学工业对能源的发展起到了举足轻重的作用。

煤的氧化、加氢，石油的裂解，太阳能蓄热、热发电、光伏发电及光化学发电，原子核发生变化释放的核能等等，无论是常规能源还是新能源的开发、利用和发展，都与化学有着密不可分的关系。

能源的变迁,1.柴草的开发利用从原始社会到18世纪产业革命以前，人类一直以柴草为燃料，依靠人力、畜力，并利用一些简单的水力与风力机械作为动力，从事生产活动，生产和生活水平都很低。

这就是人类能源史上经历的柴草时期。

2煤炭的开发利用,标志性事件：

蒸汽机的发明和利用,到19世纪末，煤炭用于发电，电力应用于生产和生活的各个方面，电动机也逐步代替了蒸汽机，电灯代替了油灯和蜡烛。

从19世纪70年代到20世纪初，煤炭在能源构成中的比例从24%上升到95%，从而取代柴草坐上了主要能源的宝座，开始了人类能源史上的煤炭时期。

3石油的开发利用,石油主要是沉淀在一起的低等动植物等，经过复杂的化学和生物化学作用转化而成的液体有机物。

人类利用石油的历史可以追溯到很久以前的古代社会。

真正大规模的利用石油资源还是从19世纪开始的，20世纪初，内燃机的发明促使石油被大规模开发利用。

同时工业革命诱发了社会对石油的迫切需求，石油取代煤炭成为主要能源，也促成了能源结构的第二次变革。

内燃机,4新能源的开发利用,自1973年开始，国际上接连出现两次石油危机。

人们越来越清醒地认识到，石油是一种蕴藏量极其有限的宝贵能源，必须一方面设法提高其利用率，千方百计节省能源；另一方面也必须考虑寻求新的替代能源。

通过研究摸索，我们认为太阳能、核能、氢能等为代表的新能源将成为未来的能源主体。

应该说，第三次变革具有划时代意义。

因为人类找到了新的“火种”，而且人类看到了最终获得取之不尽的能源的希望之光。

（1）太阳能的开发利用,太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。

太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.81023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。

到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为81013kW，能量相当巨大。

在近三百多年中，人们逐渐把太阳能作为一种能源使用。

例如，1615年发明了太阳能抽水泵，1866年制出了太阳能发动机，1878年推出了以太阳能为动力的印刷机。

在20世纪最初的10年中，美国建造了一系列太阳能发电机。

1950年前苏联建造了第一座太阳能塔式热电站，1952年法国建造成功50千瓦的太阳炉，1960年美国用太阳能平板集热器建起了世界上第一座氨-水吸式空调系统等。

太阳能发电机与利用太阳能的汽车,

（2）核能的开发利用,核能就是通常所说的原子能。

原子核外电子的变化过程称化学反应，反应过程中释放出来的能量称化学反应热，简称反应热。

原子核结构发生变化的过程称核反应，核反应过程中释放出来的能量称核能。

1克铀（U）发生原子核裂变反应时可放出8107千焦的热量（相当于3吨煤燃烧时放出的热），放出的热量相当于2万吨黄色炸药（TNT）爆炸时放出的热量。

威震四海的原子弹爆炸就是根据这个原理。

氘和氚的核聚变反应如果不加控制，可引发氢弹爆炸。

它的威力一般要比原子弹大几十到几百倍。

原子弹爆炸,核潜艇,第二节常规能源,定义：

在现有经济和技术条件下，已经大规模生产和广泛使用的能源为常规能源，如煤炭、石油、天然气、水能和核裂变能等。

一.煤,由于成煤植物和生成条件的不同，煤一般分为三大类，它们是腐植煤、残植煤和腐泥煤。

1煤的形成煤是大量植物遗体被堆积、掩埋在地底下，经过泥炭化和煤化作用而形成的固体有机矿物。

组成煤的主要化学元素是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和硫（S）等。

其中，碳的含量达到50%97%，故煤又称煤炭。

2煤的综合利用煤的气化:

煤的焦化（干馏）：

煤的液化：

二、石油,石油（Petroleum），指气态、液态和固态的烃类混合物，具有天然的产状。

原油（CrudeOil），指石油的基本类型，储存在地下储集层内，在常压条件下呈液态。

1石油储量,根据2004年BP世界能源统计，截止到2003年底，全世界剩余石油探明可采储量为1565.8亿吨，其中，中东地区占63.3，北美洲占5.5，中南美洲占8.9，欧洲占9.2，非洲占8.9，亚太地区占4.2。

2石油的重要性,自19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长，初期主要是以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的生产与消费持续上升，石油于20世纪60年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。

虽然20世纪70年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋势。

到2003年底，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占87.7，其中石油占37.3、煤炭占26.5、天然气占23.9。

从以上数据可以看出，原油和天然气这两种石油能源占了总能源的60%。

据分析，石油能源的优势地位将一直持续到2010年左右。

我国石油能源在总能源中的比重一直在20%左右，低于世界平均58的水平。

3石油的炼制,石油经过分馏、裂化、重整、精制等步骤，获得了各种燃料和化工产品，有的可直接使用，有的可以进行深加工。

三.天然气,天然气（NaturalGas），也是石油的主要类型，呈气相，或处于地下储层条件时溶解在原油内，在常温和常压条件下又呈气态。

天然气与煤炭、石油，并称目前世界一次能源的三大支柱。

天然气的蕴藏量和开采量都很大，其基本成分是甲烷。

由于天然气热值高，燃料产物对环境的污染少，被认为是优质洁净燃料。

四.能源危机,1能源的存量石油，煤和天然气都是不可再生能源资源。

目前已探明的石油储量将于2010-2035年耗掉80；而天然气和煤，从现在算起，天然气只能再用40-80年，煤只能再用200-300年。

2能源开发利用对生态环境的影响,能源开发利用不当，将影响生态环境。

例如，森林的破坏将减少森林对二氧化碳气体的吸收，从而造成大气中二氧化碳含量增加，大气温室效应加剧。

水力发电站选址、设计不当会破化周围的生态环境，造成鱼类减少、土地变质等不良后果。

温室效应导致冰水融化,能源开发引起的大气污染,3能源价格飞涨拖累经济,新兴市场发展快速、资源不稳定、石油价格飞涨，表明我们正处在一个新的能源时代。

数据显示，到2004年，世界对能源的需求量从1.8亿桶增加到了2.5亿桶，由原来的每桶30美元跃升到了现在的每桶超过85美元。

石油价格急速高涨，能源价格的波动对世界经济产生强烈影响。

新能源的发展、政府和企业如何应对未来能源的挑战已是各国政府不得不面对的重大课题。

第三节新能源,目前，世界各国所消耗的能源中常规能源占绝大多数，然而，这些矿物燃料既储量有限，又污染环境，从长远来看，为了人类的生存和社会的发展，必须大力开发利用可再生能源。

新能源的含义在我国是指除常规能源和大型水力发电之外的太阳能、氢能、核能、风能、生物质能、海洋能、地热能等。

“新”与“常规”相比是一个相对的概念，随着科学技术的进步，它们的内涵将不断发生变化。

新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发展的结果，而另一方面也是由于它们在解决能源危机及环境问题方面呈现出新的应用前景。

目前最有发展前景的新能源包含太阳能、氢能、核能、风能等。

一.太阳能,太阳能是指太阳的辐射能。

太阳离地球大约1.5亿千米，其表面温度约6000左右。

太阳能的产生主要是因为太阳内部连续不断地发生以氘和氚转变为氦的核聚变反应，好像许多颗巨型氢弹在连续爆炸一样，可以放出惊人的能量。

太阳能优点：

太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰富，取之不尽，用之不竭；太阳能可就地取用，无需运输；太阳能作为一种清洁能源，在开发利用过程中对环境无任何污染；,太阳能缺点：

能流密度低；其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。

太阳能开发利用,

（1）太阳能的光-热转换太阳能的光-热转换是太阳能利用中最主要的转换方式。

实现这种转换的是各种光-热转换装置，其基本设计思想是先设法把太阳辐射能收集起来，然后利用它来加热。

泥薄壳型太阳灶,太阳能热电站,太阳房,太阳能热水器太阳能干燥器目前，具有实用价值的光-热转换装置有太阳灶、太阳能热电站、太阳房、太阳能干燥器、太阳能热水器和太阳能航标灯塔等,

（2）太阳能的光-电转换,太阳能的光-电转换是把太阳辐射能直接转换成电能。

这种转换通常是让太阳的辐射光子通过半导体物质来实现的，在物理学上叫做光生伏打效应。

太阳能航标灯塔,利用太阳能人造卫星,电视差转台,光电水泵,太阳能飞机,（3）太阳能的光-化学转换太阳能的光-化学转换是将太阳能直接转换成化学能。

这种转换一般通过植物的光合作用和光化学反应实现。

光合作用示意图,二.氢能,随着常规能源危机出现，人们在开发新的二次能源探索道路上，氢能以其清洁、安全、高效的特点受到了越来越多的关注。

氢能的优点：

首先，氢能来源广泛，可以从化石能、核能、可再生能源中制取，有利于摆脱对石油的依赖；其次，氢能作为燃料，能在传统的燃烧设备中进行能量转化，与现有能源系统易兼容；第三，氢能通过燃料电池技术转化能量，比利用热机转化效率更高，而且没有环境污染；第四，氢能能够储存，可以与电力并重而且互补。

清华大学研制的氢燃料电池城市客车,目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：

价廉的制氢技术；安全可靠的贮氢和运输氢方法；,氢的制造技术,

（1）电解水制氢,

（2）太阳能制氢,这种所谓“水中取火”的方法是非常诱人的。

它只要在水中放入催化剂，在太阳