能源资源科学概论第一章概论.ppt

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1、能 源 科 学 概 论,目 录,第一章 概论基础知识第二章 常规能源石油、天然气第三章 新能源核能、太阳能、风能第四章 能量的转换与储存 第五章 能源形势第六章 节能第七章能源系统工程第八章 能源资源的可持续性发展,成绩评定：考试成绩占70；平时成绩占30。考试方式：开卷考试。时间地点另行通知,第一节 能量与能源第二节 能源与文明的进步,第一章概论基础知识,生的不能吃的,熟的香甜可口的美食,掌勺者,一、能量,第一节 能量与能源,火,构成客观世界的三大基础：物质、能量和信息。科学史观：,一、能 量,第一节 能量与能源,物质构成世界，没有物质，世界便虚无缥缈；能量是物质的属性，是一切物质运动的动力

2、，没有能量，物质就静止呆滞；信息是客观事物和主观认识相结合的产物，没有信息，物质和能量既无从认识，也毫无用处。,宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。能量（广义）：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）的过程必然伴随着能量的消耗或转化。倘若任何效果和变化都没有，那么世界也就不存在了。如果说劳动创造了世界，那么这种创造首先就是从能量的使用开始的。,一、能量,第一节 能量与能源,定义（物理学）：做功的本领,做功：也就是要消耗W 的能量才能产生上述效果。,1能量实质,（1）,一、能量,第一节 能量与能源,（2）,m,V10,V2

3、V,消耗的能量：,m,a,一、能量,第一节 能量与能源,2能量分类（能量形式）,机械能热能电能辐射能化学能核能,一、能量,第一节 能量与能源,（1）机械能 包括固体和液体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。动能和势能统称为宏观机械能，如风能、水能等，是人类最早认识的能量。,（2）热能,构成物体的微观分子运动的动能表现为热能。它的宏观表现是温度的高低，反映了分子运动的强度。地球上最大的热能资源为地热能。,（3）电能 它和电子流动与积累有关，通常由电池中的化学能转化而来，或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化为机械能电做功。在自然界中，还有雷电等电能。,（4）辐射能 即物体以

4、电磁波形式发射的能量。如太阳能，太阳是最大的辐射源。,（5）化学能 它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。利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢。,（6）核能 是蕴藏在原子核内部的物质结构能。释放巨大核能的核反应有两种：核裂变反应 核聚变反应,1.定义,第一节 能量与能源,二、能源,大英百科全书：能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类采用适当的转换手段，给人类自己提供所需的能量。现代汉语词典：能产生能量的物质，如燃料、水力、风力等。能源是可以从其中获得热、光和动力之类能量的资源。,能直接或者经

5、过转化而提供某种能量的自然资源。,2.形式 本身拥有能量：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，经上述资源加工得到的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。,（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,3 分类,分类标准,二、能 源,（1）按地球上的能量来源分,二、能源,常规能源 如煤炭、石油、天然气、薪材燃料、水能等。新能源 如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能、核能等。,（2）按被利用的程度分,（3）按获得的方法分,（4）按能否再生分

6、,（5）按能源本身的性质分,（6）按对环境的污染情况分：,商品能源：流通环节大量消费的能源，如煤、石油、天然气、电力等。非商品能源：不经流通环节而自产自用的能源，如农户自产自用的薪柴、秸秆，牧民自用的牛粪、马粪等。,商品能源、非商品能源、农村能源、绿色能源、终端能源,第一节 能量与能源,第二节 能源与文明的进步,第一章 概论基础知识,第二节 文明的进步与能源,一、能源的变迁,二、能源消费与经济水平,三、能源与环境,一、能源的变迁,能源，俗称文明活动之“米”，赐予了人类一切文明活动的动力，推动了人类文明的进步。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

7、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,回顾人类的历史，可以明显的看出能源和人类社会发展间的密切关系。人类社会已经经历了三个能源时期，即：,薪柴时期 煤炭时期 石油时期,一、能源的变迁,1薪柴时期 木炭原始人类生存和发展的动力 人类的文明是在古代人类的篝火边发展起来的，火是人类文明的标识。考古学家：人类对能源的利用是从木材燃火开始的,一、能源的变迁,最早利用的能源,钻木、击石等取火 动物排泄物、树木等做燃料 以人力、畜力和一小部分简单的风力和水力机械作动力,一、能源的变迁,这个以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，延续了很长的

8、时间，生产和生活水平都极低，社会发展迟缓。,2煤炭黑宝石,18世纪的产业革命，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。,瓦特和他发明的蒸汽机,一、能源的变迁,在这段时间里，工业得到迅速发展，劳动生产力有了很大的增长。特别是19世纪末，电力开始进入社会的各个领域，电动机代替了蒸汽机，电灯代替了油灯和蜡烛，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，英国：在煤的开采和利用技术上的领先地位，使它一跃而成为世界工业强国。,一、能源的变迁,3.石油黑色金子,19世纪初，石油开始在陆上交通工具的燃料中占有主要地位。西方发达国家很快地从以煤为主要能源转换到以石油和天然气为主要能源

9、。汽车、飞机、内燃机和远洋客货轮的迅猛发展，不但极大的缩短了地区和国家之间的距离，也大大的促进了世界经济的繁荣，加快了世界工业化的进程。近30多年来，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质文明。,一、能源的变迁,进入21世纪，随着可控热核反应的实现，核能将成为世界能源的主角。1公斤铀释放的核能=2500吨优质煤燃烧产生的热量 随着各种新技术、新方法的应运而生，太阳能、氢能等也将成为重要的能源。一个清洁能源的时代也将随之到来。世界将变得更加繁荣和丰富多彩。,一、能源的变迁,在人类发展的历史上，每当一种新的能源被发现和开发利用，就会在社会生产上产生一次巨大的技术变革，回顾煤炭、

10、石油、核能的出现，莫不如此。因此，可以说能源是推进人类社会经济发展的动力和物质基础。,一、能源的变迁,能源是现代化生产的主要动力来源。,工业：,农业：,二、能源消费与经济水平,世界各国经济发展的实践证明，在经济正常发展的情况下，能源消耗增长速率与国民经济生产总值增长率成正比例关系。这个比例关系通常用能源消费弹性系数来表示。弹性系数越大，说明国民经济产值每增加1%，能源消费的增长率越高；弹性系数越小，则能源消费增长率越低。,二、能源消费与经济水平,能源消费弹性系数的大小与国民经济结构、能源利用效率、生产产品的质量、原材料消耗、运输以及人民生活需要等因素有关。尽管各国的实际条件不同，但只要处于类似

11、的经济发展阶段，它们就具有大致相近的能源弹性系数。发展中国家的能源消费弹性系数一般大于1，工业国家能源消费弹性系数大多小于1。人均收入越高，弹性系数越低。,二、能源消费与经济水平,世界主要国家能源和经济发展概况,二、能源消费与经济水平,世界人口：1971年37亿 1996年57亿，在25年内增长了54%，总能源：消耗量增长率为59%。在总能源消耗中，电能所占的比例在急剧增加。,世界人口与每年总能源消耗量,二、能源消费与经济水平,1.环境问题 环境问题是指地理环境中出现的影响人类生活和生产的种种问题。分类（按根源）：（1）由自然力引起的原生环境问题 地震、洪涝、干旱、滑坡等自然灾害所引起（2）由

12、人类活动引起的次生环境问题 环境污染和生态破坏,三、能源与环境,2全球环境恶化 联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，主要表现在：（1）南极上空臭氧空洞扩大；（2）空气质量严重恶化；（3）全球气候变暖；（4）水资源形势严峻；（5）水土流失严重；（6）生物多样性遭严重破坏。,三、能源与环境,（1）南极上空臭氧空洞扩大,（2）空气质量严重恶化,1200万只废轮胎燃烧了100多天,烟雾笼罩下的南非开普敦,（3）全球气候变暖,（4）水资源形势严峻,除了蒸馏水，它们还有洁净的栖身之所吗？请关注水环境污染！,（5）水土流失严重,因沙漠化被埋没的村庄,（6）生物多样性遭到严重破坏,脆弱的地球,

13、3.能源对环境的影响及对策 能源在其开采、输送、加工、转换、利用和消费过程中，对生态系统产生各种影响，成为环境污染的主要根源。,1.温室效应 2.酸雨 3.臭氧空洞 4.热污染 5.放射性污染,能源对环境的污染：,三、能源与环境,产生机理,（1）温室效应,三、能源与环境,受不了啦！,引发因素,（1）温室效应,温室效应带来的影响 当CO2浓度增加为目前的两倍时，地表面平均温度将上升1.54.5。使地球两极冰山和冰川融化。引起海洋温度升高，促使强烈的热带风暴形成。,（1）温室效应,海平面上升,（1）温室效应,人类温室效应作怪，亚马逊河原始森林不再原始,越来越长的北极夏日和越来越薄的北极海冰：威胁北

14、极熊的生存；影响当地居民的生活。,减缓温室效应的对策 由温室效应所带来的全球气候变暖已经受到全世界的关注。1992年，里约热内卢，“气候变化框架会议”，减少温室气体的排放，提高对气候变化过程影响的认识。1997年，联合国气候大会，通过了京都协议书，规定：自2008年至2012年期间，温室气体排放量比1990年平均减少5.2%。此协议书标志着人类为控制全球气候变暖迈出了重要的一步。,（1）温室效应,控制矿物燃料的燃烧，合理开发、利用燃料，寻找新能源以减少二氧化碳等的排放。保护森林、保护植被，禁止乱砍滥伐，植树造林（树木通过光合作用可固定CO2），利用森林涵养水源，调节气温；减慢世界人口增长速度，

15、在农村发展“能源农场”：燃烧薪柴比化石燃料产生的CO2要少得多。,减少温室气体,（1）温室效应,指pH值小于5.6的雨雪或其他形式的大气降水。引起雨水酸化的主要物质是SO2和NO2，它们形成的酸雨占总酸雨量的90以上。而上述两类物质的90都是燃烧矿物燃料造成的。,（2）酸雨,定义及产生原因,三、能源与环境,酸雨的危害 目前酸雨已成为全球面临的主要环境问题之一。酸雨会以不同的方式危害水生生态系统、陆生生态系统、腐蚀材料和影响人体健康。使湖泊变成酸性，影响水生生物生长繁殖，乃至死亡。例如瑞典的9万个湖泊中有2万个已遭到某种程度的酸雨的损害，4000个生态系统被完全破坏。,（2）酸雨,酸水湖泊,使土

16、壤酸化，危害森林和农作物生长。,德国巴伐利亚州山区的12000亩森林有1/4因酸雨而坏死。,腐蚀建筑物和文物古迹,使非金属建筑材料表面硬化，水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低。,（2）酸雨,石雕像,石狮像,危及人体健康 直接影响 导致红眼病和支气管炎，咳嗽不止，诱发肺病。间接影响 农田土壤酸化，使本来固定在土壤矿化物中的有害重金属再溶出，继而为粮食、蔬菜吸收和富集，人类摄取后，中毒，得病。,（2）酸雨,中国酸雨污染每年造成损失超过1100亿元。,防治措施 大力推广无污染干净能源（减少人为硫氧化物和氮氧化物的排放）；在城市发展居住小区集中供热；净化汽车尾气；筛选和培植抗酸雨作物；绿化造林；恢

17、复已酸化的湖泊、土壤。,控制污染源,辅助措施,（2）酸雨,（3）臭氧空洞,臭氧(O3)是氧的同素异性体。,臭氧功效,三、能源与环境,当今，科技飞速发展，人类已能大量生产臭氧，并研究发现了它的诸多“神力”。人们利用它在水、和空气中与各种有机物发生化学反应，并在反应中产生杀菌、解毒、防臭、漂白等氧化作用，借以为人类生活服务。清除空气和水中细菌的；有抑制癌细胞增长的神奇功效；臭氧水刷牙，可以有效地预防各种牙病；用臭氧水洗澡，对皮肤病、消化道疾病、身体肿痛以及许多慢性病均有显著疗效。,臭氧不臭，飘香万里！,（3）臭氧空洞,造成臭氧层破坏的主要原因 1984年首次发现南极上空出现了臭氧空洞。,随后的气象

18、卫星证实，这个臭氧空洞正在进一步扩大。,（3）臭氧空洞,2006,由于过多地使用氟氯烃类物质和燃料燃烧产生的N2O所致。N2O将引起臭氧层中NO浓度增加，NO可引发破坏O3的循环反应：,总反应：,（3）臭氧空洞,对人类健康影响,臭氧空洞的危害,增加皮肤癌患者；O3减少1，皮肤癌患者增加46，主要是黑色素癌。,损害眼睛，增加白内障患者；削弱免疫力，增加传染病患者。,（3）臭氧空洞,农产品减产及其品质下降 估计臭氧减少1，大豆减产1。减少渔业产量 实验表明，臭氧减少10，将会在15天内杀死所有生活在10米水深内的鳗鱼幼鱼。破坏森林,对生态影响,（3）臭氧空洞,臭氧空洞的治理 1985年制定了维也纳

19、保护臭氧层公约；1987年签定了蒙特利尔议定书，即禁止使用氟氯烷和其他的卤代烃的国际公约。1994年确定每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。1999年12月2日国际保护臭氧层大会在北京召开。,（3）臭氧空洞,澳科学家称南极上空臭氧空洞将在2050年前消失！,化工厂、发电厂、钢铁厂、核电站等生产中使用大量冷却水。这些水的温度较高，如直接排入，会使附近的水源温度升高，引起所谓“热污染”。热污染严重的河流湖泊的水温可达5060。,（4）热污染,三、能源与环境,热污染的危害 主要给水生物带来极为不良的后果：对鱼类影响最大，水温升高，会减少氧在水中的溶解量，同时加速各种化学和生化反应，增加耗氧量；使

20、水中的有害物毒性变大，水质迅速恶化。此外，加速水中细菌繁殖，助长水草丛生，影响河水流动，破坏自然水域的生态平衡。,（4）热污染,来源及治理 火电厂和核电站是热污染的主要来源。例如：美国火力发电使用的冷却水占全部冷却水用量的80；位于法国吉隆河入海口的核电站，每秒钟产生的温水高达225m3，致使其几公里范围内的水温升高了5；德国莱茵河畔的核电站，每小时耗水3600t，冷却水的蒸发使周围空气温度升高了15。提高电厂和一切用热设备的热效率，不仅能量有效利用率提高，而且由于排热量少，对环境的热污染也可随之减轻。,（4）热污染,放射性污染危害 核燃料的开采与运输，核废渣的处理也会给环境造成污染。放射性污

21、染对生物的危害是十分严重的。放射性污染引起的放射性损伤有急性损伤和慢性损伤之分。如果人在短时间内受到大量剂量的射线、射线和中子的全身照射，就会产生急性损伤。轻者有脱毛、感染等症状。当剂量更大时，会出现腹泻、呕吐等肠胃损伤症状。在极高的剂量照射下，会导致人群白血病和各种癌症发病率的增加。,（5）放射性污染,1986年4月，前苏联切尔诺贝利核电站突然发生大爆炸，并引起大火，31人当场死亡。共有8吨多的强辐射物在事故中泄漏，欧洲受到核污染的区域超过了20万平方公里，其中最严重的是白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯。部分东欧国家和北欧国家也受到一定程度的核污染。大量的放射性物质严重污染了空气、土壤和河流，破坏了

22、自然环境和生态系统，直接导致27万人背井离乡，迁往其他安全地区。而欧洲部分最肥沃的耕地也因受到污染而成了废地。除了自然环境的破坏，还有约700万人直接或间接地成为事故受害者。由于受到核辐射，核电站周围地区癌症患者，尤其是儿童甲状腺癌以及血癌患者急剧增多。据专家预测，事故的后果要经过100多年才能完全消除。,贫铀弹殃及无辜儿童,放射性污染使这只猪崽发生了令人心惊的基因变异。,（5）放射性污染,原子弹爆炸后，浓烟笼罩广岛上空,核爆后的一片废墟,放射性污染的防治 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，例如：对核电站，国

23、际原子能机构制定了核电站厂址选择、设计、运行和质量保证等四个安全法规。在九届全国人大第三十一次会议上，制定了强化放射性污染防治、实行污染监测制度的相关法规。正是这些法规的实施，使核电站的安全有了可靠的保证。,（5）放射性污染,能源对环境的影响是一种综合的影响。下表给出了各种能源在生产、加工和利用过程中对三个环境要素的影响。,温室效应将付出什么代价?科学家窥探白垩纪,全国平均气温比往年高了1.2度，平均降水量少了近20毫米；重庆、川东等地遭受罕见高温袭击，出现了百年一遇的特大伏旱；这些是温室效应引起的吗？全球气候还将持续变暖吗？,地球历史上，“温室气候”和“冰室气候”曾交替出现。从地质历史上看,

24、人类目前处在间冰期,就是在冰室气候的时期出现了气候变暖。这个时期可能最适宜人类生存，但是工业化的快速发展导致了地球提前向温室气候转变，也就是我们常说的温室效应问题。,这样，问题就出现了：地球未来环境将发生怎样的变化？会出现温室气候吗？如果真是这样，什么样的生物种群会适应变化或者自我调整继续演化？什么样的生物种群会因为不能适应环境变化而消亡？人类如何适应这种变化？,白垩纪被公认为是地质历史中温室气候的典型范例，因此对白垩纪中所发生的重大地质事件和温室气变化研究可能是我们找到答案最好的钥匙。,为了找到真实的答案，科学家们把“望远镜”伸向了地球内部，伸向了白垩纪（距今6500万年至1亿4千万年间）,

25、白垩纪大部分时期都属于极端温室气候，当时全球气候非常温暖，平均温度比现在高10摄氏度左右；二氧化碳浓度远远高于现在，是现今含量的4到10倍；地球表面没有冰河、冰川，在极地附近没有寒冷地带；植被覆盖面积扩大，高纬度地区存在着大片森林；恐龙成为地球的主宰，足迹遍布南北极；白垩纪时地球上曾发生过海平面上升，海平面比现在高300米左右。,白垩纪还发生了一些异常重大地质事件，如大洋缺氧、大洋红层与富氧、碳酸盐台地沉没、大规模生物更替等。近年来研究证实，这些重大地质事件的发生不是孤立的，是地球系统各圈层相互耦合的产物，在时间和空间上具有非常紧密的联系，为我们认识温室气候提供了“实例”。因此，白垩纪的古气候究竟怎样？温室气候如何出现？一系列地质事件和气候之间有何关系？这些科学问题的研究已经成为国际地学界的热点。,能源和环境，是人类赖以生存的基本条件。然而，人类几千年文明史，以巨大的环境和能源代价换来了经济的增长和社会的进步，目前，新的人口资源环境危机使经济社会的持续发展受到严重制约。因此在第35个世界地球日，“善待地球 科学发展”成为我们的主题，摒弃追求物质丰富的片面发展观，节约能源，保护环境，坚持全面、协调、可持续的发展，是我们避免人与自然严重冲撞后遭遇劫难的惟一出路。,三、能源与环境,