能源基本知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,、我国能源利用现状,、我国当前能源消费结构,绪 论,2005,年中国能源消费结构,2005,（万吨标准煤）,总量,煤,石油,天然气,核电、水电,223319,68.9%,21.0%,2.9%,7.2%,根据有关部门分析得出的结果，我国能源消耗总量大致是,2020,年,22,29,亿吨，,2050,年,3347,亿吨。即中国在未来,50,年内能源需求,总量将会增长到现在的,3,倍。,绪 论,2.,能源利用效率低,能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重,我国能源终端利用效率仅为,33,，比发达国家低约,10,20,个百分点,单位产品的能耗平均比发达国家高约,40%,单位国民经济产值的能耗是日本的,6,倍，美国的,3,倍，韩国的,4.5,倍,3.,能源品种以煤为主，污染严重,典型的能源消费型污染,煤炭消费型污染,绪 论,4,、解决能源问题的途径,（,1,）节流,节约能源法,（,2,）开源,保证常规能源供给，加大新能源、可再生能源的开发,绪 论,第一章 能源与能量,1.1,能,量,1.2,能,源的分类和评价,1.3,能源与人类文明,1.4,能源资源生产和消费,所谓能量，广义地说，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。,一、能量的定义,第一章 能源与能量,科学史观还认为，物质是某种既定的东西，既不能被创造也,不能被消灭，因此作为物质属性的能量也一样不能创造和消灭。,能量和物质质量之间的关系是爱因斯坦于,1922,年揭示的，即：,E=m c,2,能量的单位,国际单位制中：,J,（焦耳）,单位时间能量的释放：,W KW MW,工程：卡、标准煤、标准油,第一章 能源与能量,到目前为止，人类所认识的能量有,机械能,热能,电能,辐射能,化学能,核能,三、能量的形式,第一章 能源与能量,1.,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,之为动能，后者称之为势能。它们都是人类最早认识的能量形式。,动能：是指系统（或物体）由于作机械运动而具有的作功能力,第一章 能源与能量,势能：与物体的状态有关,重力势能：受重力作用的物体因其位置高度不同而具有,第一章 能源与能量,弹性势能：物体由于弹性变形而具有的作功本领,表面能：,即不同类物质或同类物质不同相的分界面上，由于表面张力的存在而具有的作功能力,第一章 能源与能量,2.,热能,热能：,是能量的一种基本形式，所有其它形式的能量都可以完全转,换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利,用的，因此热能在能量利用中有重要意义。,热能构成：,物质的微观分子运动的动能和势能总和称之为热能。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。,第一章 能源与能量,3.,电能,电能：,和电子流动与积累有关的一种能量，通常是由电池中,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,。,第一章 能源与能量,4.,辐射能,辐射能：,是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能。,其中从能量利用的角度而言，因热的原因而发出的辐射能,（又称热辐射能）是最有意义的，例如地球表面所接受的太阳能就,是最重要的热辐射能。,第一章 能源与能量,5.,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,式释放的内能成为化学能。燃料燃烧时的化学能常用燃料的,发热量,表示。,第一章 能源与能量,6.,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、等）和重质量的原子核（铀等）其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。,第一章 能源与能量,四、能量的性质,1,、状态性,2,、可加性,3,、传递性,第一章 能源与能量,4,、转换性,核心任务研究如何提高能量的转换效率,5,、做功性,根据做功能力分高品质能、低品质能、废能,6,、贬值性,质的贬值,第一章 能源与能量,五、能量的转换,1,、能量形态上的转换：,如燃料的化学能通过燃烧转换成热能，热能通过热机再转换成机械能等,2,、能量在空间上的转移：,即能量的传输,3,、能量在时间上的转移：,即能量的储存,第一章 能源与能量,3,、能量的传递方式,能量传递的途径基本有两条：,由物质交换和质量迁移而携,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,。,体系边界面上的能量交换，通常主要以两种方法进行：,传热,有温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形；,作功,由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。,第一章 能源与能量,通过能量交换而实现的能量传递，即传热和作功，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；,1,2,3,第一章 能源与能量,作功（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）。,第一章 能源与能量,第二节能源的分类和评价,一、能源的分类,1,、按地球上的能量来源分：,地球本身蕴藏的能源,：核能、地热能；,来自地球外天体的能源,：宇宙射线、太阳能以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能；,地球与其它天体相互作用的能源,：潮汐能。,2,、按被利用的程度分：,常规能源,：开发利用时间长、技术成熟、能大量生产并广泛使用，如煤炭、石油、天然气、水能等；,新能源,：开发利用较少或正在研究开发之中，太阳能、地热能、潮汐能、生物质能，核能。,第一章 能源与能量,3,、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,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,4,、按能否再生分,可再生能源,，即不会随它本身的转化或人类的利用而日益减少，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。,第一章 能源与能量,5,、按能源本身性质分,含能体能源,，如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；,过程性能源,，它们无法直接储存，如水能、风能、潮汐能、电能等。,6,、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。,第一章 能源与能量,二、能源的评价,储量,储能的可能性 与供能的连续性,能量密度,汽油：,4.4,10,4,(kJ/kg),氘（核聚变）：,3.5,10,11,(kJ/kg),开发费用和利用能源的设备费用,运输费用与损耗,能源的品位,对环境的影响,第一章 能源与能量,储量,人均占有量,主要分布地区,能源消费构成,62,年,99,年,煤,15,万亿吨，居世界第三,人均可采储量,98.94t,占世界人均数量的,53%,东北华北西北西南,89.2,67.1,石油,可采储量,38,亿吨，居世界第,11,位,人均储量,10,吨居世界第,41,位,东北华北西北,6.6,23.4,天然气,10288,亿立方米，居世界第,14,位,人均占有量为世界的,10%,西北西南（新青川渝陕甘）,0.9,2.8,水能,世界第一,低于平均世界水平,西南、中南、西北,3.2,6.7,第四节 能源资源生产与消费,第一章 能源与能量,1.,煤炭,煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。据世,界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达,4,8410,4,亿,t,标准,煤，占世界化石燃料可采资源量的,66,8,。,第一章 能源与能量,2.,石油,全世界石油可采储量为,3113,10,8,吨，到,1997,年累计探明的可,采储量为,2800,10,8,吨，截止,1997,年，已探明剩余储量则为,1396.6,10,8,吨，这样算下来还有,313,10,8,吨石油有待去探察。,如果加上相当数量的非常规石油（油页岩、油沙等），估计石,油资源可持续开发,70,余年。,第一章 能源与能量,3.,天然气,天然气是另一种最重要的能源，估计全球天然气的的资源量为,328,10,12,m,3,，,截止于,1997,年，已探明的储量为,143.9,10,12,m,3,，,可持续开发,100,余年。,天然气储量俄罗斯占有量最多，其次为中东地区，美国也是天然气大国，中国也在其中。,第一章 能源与能量,4.,核能,31,个国家开采成本在每千克,80,美元以下的铀储量为,141,万吨，,80130,美元的铀储量为,67,万吨，合计为,208,万吨；,年产量,3.18,万吨，还可开采,65,年。,第一章 能源与能量,5.,水能,世界各国共计：理论水能蕴藏量,35,万亿,KWh,，,可开采水能,14.6,万亿,KWh,。,第一章 能源与能量,2005,年中国能源消费结构,2005,（万吨标准煤）,总量,煤,石油,天然气,核电、水电,223319,68.9%,21.0%,2.9%,7.2%,第五节 能源与环境,第一章 能源与能量,一、大气污染的基本知识,大气污染的定义,在,干洁空气,中，微量气体的组成是微不足道的。但是在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做,大气污染。,第一章 能源与能量,造成大气污染的原因，既有自然因素又有人为因素，尤其是,人为因素,，如工业废气、燃烧、汽车尾气和核爆炸等。随着人类经济活动和生产的迅速发展，在大量消耗能源的同时，同时也将大量的废气、烟尘物质排入大气，严重影响了大气环境的质量，特别是在人口稠密的城市和工业区域。,二、大气污染的原因,第一章 能源与能量,三、大气污染的类型,按污染物形式：,（,1,）,一次污染物：,直接从多种排放源进入大气中的各种气体、蒸气和颗粒物。,二氧化硫,(SO,2,),、一氧化碳,(CO),、烟尘、二氧化碳,(CO,2,),（,2,）,二次污染物：,进入大气的一次污染物在大气中互相作用。,这类物质的颗粒小，一般在,0.010.1,微米，其毒性比一次污染物还强。最常见的二次污染物有硫酸、硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、过氧乙酰硝酸酪等。,第一章 能源与能量,2.,按污染物的化学性质,（,1,）,还原型：,煤烟型，伦敦烟雾,（,2,）,氧化型：,汽车尾气型，洛杉矶光化学烟雾,第一章 能源与能量,煤烟型烟雾事件：,由于煤烟和工业废气大量排入大气且得不到充分扩散而引起的。,著名的煤烟型烟雾事件,（,1,）马斯河谷烟雾事件,（,2,）多诺拉事件,（,3,）伦敦烟雾事件,烟雾使数千受害者患了支气管炎、气喘和其他影响肺部的疾病。最后，到,12,月,10,日烟雾散去时，估计已有,4000,人死亡，其中多数是年长者。,正在伦敦举办一场 牛 展览会，参展的牛只首先对烟雾产生反应，,350,头牛有,52,头严重中毒，,14,头奄 奄奄一息，,1,头当场死亡。,第一章 能源与能量,从十九世纪四十年代，每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛。,1943,年以后，烟雾更加肆虐，以致远离城市,100,千米以外的海拔,2000,米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘减产。,第一章 能源与能量,四、大气污染对人体的影响：,大气污染物通过以下三个过程侵人人体：,（,1,）呼吸而直接进入人体，这是最主要也是危害最大的；,（,2,）附着在食物或溶解于水，随着水、食物而侵入人体；,（,3,）通过接触由皮肤进人到人体，大气污染物对人体的危害可以分为急性中毒、侵性中毒和致癌作用。,第一章 能源与能量,六、温室效应：,第一章 能源与能量,各种气体对温室效应的贡献,第一章 能源与能量,温室效应的危害,1,、海平面上升的影响,第一章 能源与能量,过去的百年海平面上升了,14,4cm,我国上升了,11,5cm,。,2001,年,11,月，美国华盛顿地球政策研究所发表的一份报告说，由于温室效应导致的海平面上升，南太平洋岛国图卢瓦的,1.1,万国民将被迫移民新西兰，图卢瓦成为全球第一个因海平面上升而进行全民迁移的国家。,第一章 能源与能量,2,、土地干旱、沙漠化严重,第一章 能源与能量,3,、在高纬度地区，农业条件会更好些。,4,、由于海水的边界向北移动，因此海洋冰量减少。,5,、飓风更频繁、更强大，并向高纬度地区扩展。,6,、森林火灾更频繁、更严重。,7,、大量物种迅速灭绝。,8,、由于气候的原因，人口死亡率增加。,第一章 能源与能量,解决温室效应的对策,1,）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；,2,）开发不产生,CO,2,的新能源，如核能、太阳能、地热能、海洋能；,3,）推广植树绿化，限制森林砍伐，制止对热带森林的破坏；,4,）减慢世界人口增长速度；,5,）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,CO,2,，另一方面燃烧薪柴比燃用化石燃料产生的,CO,2,要少得多；,第一章 能源与能量,国际行动,第一章 能源与能量,七、臭氧层的破坏与燃烧排放,平流层中的臭氧吸收掉太阳放射出的大量对人类、动物及植物有害的紫外线辐射,(240,329)nm,，称为,UV-B,波长,),，为地球提供了一个防止紫外辐射的屏障。,O,2,+hvO+O,（,243mm,）（,1,）,O+O,2,O,3,（,2,）,平流层中,O,3,的消除主要是,O,3,的光解所致：,O,3,+hvO,2,+O,（,300nm,）（,3,）,第一章 能源与能量,平流层中的臭氧对氯和氮持别敏感。氯氟烃能破坏臭氧层并不是因为它含氟，而是在平流层紫外线的光解作用下放出原子氯，一个原子氯可以破坏,10,万个臭氧分子。其化学反应机理如下：,CFC-ll(CFCl,3,),和,CFC-12(CF,2,Cl,2,),上述两个反应的总反应式为：,第一章 能源与能量,氧化亚氮的排放也会引起臭氧层的破坏,活化了的原子氧再和氧化亚氮反应生成一氧化氮：,第一章 能源与能量,据科学研究，臭氧减少,10%,。紫外线可能增加,20%,，同时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。植物和浮游生物減少，破坏自然界的生物链。,(4),塑胶、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。,第一章 能源与能量,最早使用,CFC,的,24,个发达国家已于,1985,年和,1987,年分别签署了限制使用,CFC,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。,第一章 能源与能量,在“无氟冰箱”中，经过各国科学家的努力，目前最佳的氟里昂替代品是,HFC-134a(,分子式为,CF3CH2F),，已得到广泛应用。,空调器中使用的制冷剂氟里昂,22,（,CHF2CL,，,R22,），世界上虽然研究氟利昂,22,替代物的工作已全面开始。,目前，国际呼声最高的氟利昂,22,混合工质替代物有,R401A,（,R22/R152a/R124,混合质量比：,53/13/34),R407C,（,23%R32,、,25%R125,和,51%R134a),对于家用空调器，欧洲国家倾向于选用,R407C,，而美国和日本倾向于,R401A,。,第一章 能源与能量,第一章 能源与能量,八、酸雨问题,1,、何谓酸雨,天然降水的本底的,PH,值为,6.55,一般将,PH,值小于,5.6,的降雨称为酸雨。,2,、酸雨的分类,酸雨正确的名称应为酸性沉降，它可分为湿沉降与干沉降两大类。湿沉降指气状污染物或粒状污染物随着雨、雪、雾或雹，以降水型态落到地面上；干沉降则是在晴朗的日子，从空中降下来的落尘所带的酸性物质。,3,、酸雨的成因,造成雨水酸化的污染物有很多，污染来源大致可分为两类,自然物质，例如,火山爆发喷出大量的硫化物及悬浮固体物、自然水域表面释放之硫化氢等,人为物质，例如,工厂燃烧大量燃料，燃烧过程中产生一氧化碳、氯化氢、二氧化硫、氮氧化物等,。,第一章 能源与能量,4,、酸雨的危害,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。,第一章 能源与能量,1,）,.,酸雨的,pH,值小于,5.0,以下，造成土壤、岩石中的有毒金属元素溶解，流入河川或湖泊，严重时使得鱼类大量死亡。,2,）,.,水生植物和农作物会受到河川酸化水质影响，因而累积有毒金属，将经由食物链进入人体，影响人类的健康。,第一章 能源与能量,3,）,.,酸雨会影响农林作物的叶子，同时土壤中的金属元素被酸雨溶解，造成矿物质大量流失，植物无法获得充足的养分，因而枯萎或死亡。,4,）,.,湖泊酸化后，使生态系统改变或不能进行正常的活动，以致湖中生物相继死亡，最后变成死湖。,第一章 能源与能量,5,）,.,酸雨腐蚀建筑物、古迹和金属物质，造成人类经济、财物及文化遗产的损失。,6,）,.,刺激人类眼睛和皮肤，对人体造成伤害。,第一章 能源与能量,九 粉尘污染,“,总悬浮颗粒物,”,：空气中悬浮着无数固体颗粒的统称。,可吸入颗粒物：指总悬浮颗粒物中去掉,10,微米以上的那些大颗粒，它是空气质量播报中一个重要参数。,原因：,人的的鼻毛、分泌物和黏膜可以将大多数大于,10,微米的粉尘过滤掉，只有小于,10,微米的颗粒物才会随气流进入气管和肺部。,第一章 能源与能量,可吸入颗粒物的危害：,A,如果吸入颗粒物过多或颗粒物中含有毒有害成分时，就可能出现免疫功能障碍，危害健康。,B,颗粒物中如果含有较多病菌和病毒时，则可能引发传染病；长期吸入过量颗粒物，积聚在肺部，可能使人患,“,尘肺病,”,；有些颗粒物沉积在肺部，还可能引起恶性病变。,第一章 能源与能量,一、能量的定义,热力学,的角度看，能量是物质运动的度量，运动,是物质的存在的形式，因此一切物质都有能量。,物质的运动可以分为,宏观运动,和,微观运动。,度量,物质宏观运动能量的是宏观动能和位能。度量物质微观,运动能量的是所谓,“,热力学能,”,。,2.1,能量的基本性质,第二章 能量,二、能量守恒与转换定律,能量守恒和转换定律指出：“自然界的一切物质都具,有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种,形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；,在能量转换与传递过程中能量的总量恒定不变。,“,量,”的多少,能量守恒与转换定律,“,质,”的高低,能量贬值原理,第二章 能量,热力学第一定律：能量守恒,系统的内能,=,系统吸收的热量,+,对系统做功,James Joule 1818-1889,第二章 能量,任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数,U,（,内能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。,热力学第二定律,第二章 能量,三、能量贬值原理,1,、量的减少：,能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在“质”方面的高低。,2,、质的降低：,事实上能量是有品质上的差别。比如一大桶水，所含热量可谓很多，却不足以煮熟一个鸡蛋；而一勺沸水所含热量可能很少，却可以烫伤人。所以一样多的两个热量，如果它们的温度不同，产生的客观效果也不同，因此有加以区分的必要。,第二章 能量,热力学第一定律只告诉我们某一个变化过程中的能量关系，并没有告诉我们这个变化过程进行的方向。,比如在两个温度不同物体所组成的孤立系统中，热力学第一定律只告诉我们，如果它们之间有热交换的话，则一个所得的热量必然等于另一个所失的热量。但,热力学第一定律并不能告诉我们是哪一个失去热量或哪一个得到热量。,事实上我们都知道，温度高的物体失去热量，温度低的物体得到热量。,第二章 能量,热量传递有方向性,第二章 能量,热力学第二定律的实质就是能量贬值原理。,热力学第二定律有各种不同的说法。例如克劳修斯的说法是：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化”。它指出了热量传递过程的单向性。开尔文的说法是：“不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影响”。,它说明了热能与机械能转换的方向性。,显然，这些说法都是等效的。,第二章 能量,第二定律的克劳修斯说法,不可能,把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化,Cold,Hot,第二章 能量,第二定律的克劳修斯说法,为了将热量从冷态输送到热态，您需要一个装置，例如热泵或冰箱，持续做功。,第二章 能量,第二定律的开尔文,-,普朗克说法,不可能,从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影响,第二章 能量,热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的,方向,、,条件,及,限度,。,以热能和机械能之间的转换为例，机械能可以自发地无条件地转换为热能；热能转换为机械能或电能则是有条件的。,即使在理想的完全可逆的条件下，也不可能连续不断地把热能全部地转换成机械能，总有一部分热能不可避免地要传给低温热源，而无法转换成机械能，因此任何实现热能转换成机械能的热机的效率都不可能是,100%,。,第二章 能量,