能源与化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第5章 能源与化学5.1 能源结构与消费 什么是能源？能源是为人类提供能量自然资源，是国民经济发展和人类生活所必需主要物质基础。能源能够是动能、位能、热能。能源 形式有很多(比如热力、电力等)，而且一个能源形式能够转化成另一个形式。第1页按能源基本形态分类按能源基本形态分类1.一次能源一次能源：自然界现成存在无须改变其基：自然界现成存在无须改变其基本形态就能直接利用能源。即天然能源，本形态就能直接利用能源。即天然能源，如煤炭、石油、天然气、地热、水能等。如煤炭、石油、天然气、地热、水能等。2.二次能源二次能源：由一次能：由一次能源加工或转换而转变源加工或转换而转变了形态能源。如电了形态能源。如电力、焦炭、汽油、煤力、焦炭、汽油、煤气、蒸汽等。气、蒸汽等。能源分类能源分类第2页按能源使用类型分类按能源使用类型分类1.常规能源常规能源：技术上比较成熟，已大规模生：技术上比较成熟，已大规模生产和广泛应用能源。如煤炭、石油、天然产和广泛应用能源。如煤炭、石油、天然气、核裂变燃料、水能等。气、核裂变燃料、水能等。2.新能源新能源（或（或新型能源新型能源）：以新技术为基础，）：以新技术为基础，新近利用或正在着手开发能源。是相对于新近利用或正在着手开发能源。是相对于常规能源而言，包含太阳能、风能、地热常规能源而言，包含太阳能、风能、地热能、生物能、氢能、核聚变能等。能、生物能、氢能、核聚变能等。能源分类能源分类第3页按能源起源分类按能源起源分类1.来自地球以外太阳能，除太阳辐射能之外，煤来自地球以外太阳能，除太阳辐射能之外，煤炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能；自太阳能；2.来自地球本身，如地热能，原子核能来自地球本身，如地热能，原子核能(核燃料核燃料铀、钍等存在于地球自然界铀、钍等存在于地球自然界);3.由月球、太阳等天体对地球引力而产生能量，由月球、太阳等天体对地球引力而产生能量，如潮汐能。如潮汐能。能源分类能源分类第4页可再生能源可再生能源：凡是能够不停得到补充或能在：凡是能够不停得到补充或能在较短周期内再产生能源。如风能、水能、海较短周期内再产生能源。如风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等非再生能源非再生能源：反之称为非再生能源。如煤、反之称为非再生能源。如煤、石油和天然气等。石油和天然气等。依据能源消耗后是否造成环境污染可分为：依据能源消耗后是否造成环境污染可分为：污染型能源污染型能源：如煤炭、石油等，：如煤炭、石油等，清洁型能源清洁型能源：如水力、电力、太阳能、风能：如水力、电力、太阳能、风能以及核能等。以及核能等。能源其它分类能源其它分类第5页1.能源资源总量丰富。中国能源生产量列世界第能源资源总量丰富。中国能源生产量列世界第三、消费量第二；煤炭可采储量约占世界三、消费量第二；煤炭可采储量约占世界13%，列世界第三位。可再生能源资源丰富。，列世界第三位。可再生能源资源丰富。水力资源占世界水力资源量水力资源占世界水力资源量12%，列世界首，列世界首位。位。2.人口众多，人均能源拥有量较低。煤炭、石油人口众多，人均能源拥有量较低。煤炭、石油和天然气人均和天然气人均95吨，世界平均吨，世界平均209吨；石油开吨；石油开采量人均采量人均3吨，世界平均吨，世界平均28吨。吨。3.能源消费结构不合理。原煤消费百分比高，其能源消费结构不合理。原煤消费百分比高，其它能源消费低。环境污染严重。它能源消费低。环境污染严重。中国能源特点中国能源特点第6页4.能源消费效率低。生产能耗高。比国际先进水能源消费效率低。生产能耗高。比国际先进水平高平高30，能源效率不到发达国家，能源效率不到发达国家1/2。5.能源资源开发难度较大。煤炭资源地质开采条能源资源开发难度较大。煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少许件较差，大部分储量需要井工开采，极少许可供露天开采。石油天然气资源地质条件复可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发水力资源多集中在西南部高山深谷，远离发水力资源多集中在西南部高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。负荷中心，开发难度和成本较大。中国能源特点中国能源特点第7页6.能源资源分布不均衡。煤炭主要分布在华北、能源资源分布不均衡。煤炭主要分布在华北、西北，水力在西南，石油、天然气在东、中、西北，水力在西南，石油、天然气在东、中、西部和海域。而主要能源消费集中在东南沿西部和海域。而主要能源消费集中在东南沿海经济发达地域，资源赋存与能源消费地域海经济发达地域，资源赋存与能源消费地域存在显著差异。大规模、长距离存在显著差异。大规模、长距离北煤南运、北煤南运、北油南运、西气东输、西电东送北油南运、西气东输、西电东送，是中国能，是中国能源流向显著特征和能源运输基本格局。源流向显著特征和能源运输基本格局。中国能源特点中国能源特点第8页以煤炭为基础，以电力为中心，主动开发石以煤炭为基础，以电力为中心，主动开发石油、天然气，适当发展核电，因地制宜开发油、天然气，适当发展核电，因地制宜开发新能源和可再生能源，走优质、高效、低耗新能源和可再生能源，走优质、高效、低耗能源可连续发展之路。能源可连续发展之路。中国能源产业结构发展战略中国能源产业结构发展战略第9页能源利用，其实就是能量转化过程。柴草、能源利用，其实就是能量转化过程。柴草、煤炭、石油和天然气等惯用能源所提供能量煤炭、石油和天然气等惯用能源所提供能量都是随化学改变而产生，各种新能源利用也都是随化学改变而产生，各种新能源利用也与化学改变相关。与化学改变相关。能源利用能源利用第10页江泽民 上海交通大学出版社 10月第1版 本书包含江泽民关于能源问 题两篇学术论文和一篇讲 话，即对中国能源问题 思索、能源发展趋势及 主要节能办法和在会见出席（对中国能源问题思索）座谈会教授时讲话。中国能源问题研究中国能源问题研究 第11页煤化学组成煤化学组成：因产地而异。当前公认平均组：因产地而异。当前公认平均组成含成含C、H、O、N、S分别为分别为85.0%，5.0%，7.6%，0.7%，1.7%，可折成原子比来表示：，可折成原子比来表示：C135H96O9NS另外还含有其它金属和非金属元素。另外还含有其它金属和非金属元素。5.2 5.2 煤、石油和天然气开发利用与化学煤、石油和天然气开发利用与化学第12页我国是一个燃煤大国。年消费量在我国是一个燃煤大国。年消费量在10亿吨以亿吨以上。其中上。其中30%用于火力发电、炼焦；用于火力发电、炼焦；50%用用于各种工业锅炉、窑炉；于各种工业锅炉、窑炉；20%用于生活。可用于生活。可见，绝大部分是直接烧掉。见，绝大部分是直接烧掉。直接燃烧弊端：直接燃烧弊端：1.热效率低；热效率低；2.化学利用率低；化学利用率低；3.严重污染环境：其中严重污染环境：其中S、N变成变成SO2、NOx，造成酸雨。，造成酸雨。煤利用方式煤利用方式直接燃烧直接燃烧第13页石灰石作脱硫剂，煤燃烧产生热，石灰石分解石灰石作脱硫剂，煤燃烧产生热，石灰石分解，生成稳定亚硫酸钙和硫酸钙。，生成稳定亚硫酸钙和硫酸钙。煤脱硫煤脱硫第14页即隔绝空气加热，使煤分解生成：即隔绝空气加热，使煤分解生成：焦炉气焦炉气（气（气体），体），煤焦油煤焦油（液体），（液体），焦炭焦炭（固体）（固体）煤隔绝空气：控制干馏温度能够得到不一样产煤隔绝空气：控制干馏温度能够得到不一样产品。品。焦炉气中除可燃气体焦炉气中除可燃气体CO，H2，CH4外，还有外，还有乙烯、苯、氨等。乙烯、苯、氨等。煤焦油可提炼苯、酚、萘、蒽、菲等环状化合煤焦油可提炼苯、酚、萘、蒽、菲等环状化合物，它们是医药、农药、炸药、染料行业主要物，它们是医药、农药、炸药、染料行业主要原料，另外还可分离出吡啶原料，另外还可分离出吡啶、喹啉、机油、喹啉、机油、沥青等沥青等400各种化合物；各种化合物；焦炭主要用于炼铁，还可制成电石，电极等。焦炭主要用于炼铁，还可制成电石，电极等。煤综合利用煤综合利用煤干馏煤干馏（煤焦化煤焦化）第15页让煤在氧气不足情况下，进行部分氧化，使让煤在氧气不足情况下，进行部分氧化，使煤中有机物转化为可燃气体。煤气化过程生煤中有机物转化为可燃气体。煤气化过程生成成H2、CO、CH4是可燃气体，也是主要化工是可燃气体，也是主要化工原料。原料。气化主要目标有二个：气化主要目标有二个：产生气体燃料产生气体燃料，便于便于管道输送管道输送（车间、试验室、厨房）（车间、试验室、厨房）气化过程包括气化过程包括10个左右基本化学反应，依据个左右基本化学反应，依据不一样需要作不一样条件控制，产物成份和不一样需要作不一样条件控制，产物成份和百分比不一样。百分比不一样。煤综合利用煤综合利用煤气化煤气化第16页煤与石油有着相同煤与石油有着相同“成长经历成长经历”，有着近似，有着近似“基因基因”（都是由（都是由C、H、O等元素组成有机等元素组成有机物），有可能经过一定化学反应，将煤转化物），有可能经过一定化学反应，将煤转化为石油。煤炭液化油可称为为石油。煤炭液化油可称为人造石油人造石油。煤液化可分为直接和间接液化煤液化可分为直接和间接液化煤综合利用煤综合利用煤液化煤液化第17页直接液化直接液化:煤煤合合成油成油2.3吨煤能够直接液化为一吨油，但不能直接吨煤能够直接液化为一吨油，但不能直接用于汽油。加用于汽油。加H2，重整后可用于汽油，但成，重整后可用于汽油，但成本加大。本加大。间接液化间接液化:煤煤合成气合成气CO和和H2等等汽油柴油汽油柴油5-6吨煤能够间接液化为吨煤能够间接液化为1吨油，品位较纯，吨油，品位较纯，符合环境保护要求。符合环境保护要求。煤综合利用煤综合利用煤液化煤液化第18页石油在世界能源消耗结构中雄居首位，同时石油在世界能源消耗结构中雄居首位，同时是化工生产最主要原料起源是化工生产最主要原料起源被称为被称为“工工业血液业血液”。关于石油成因，现在较为一致观点：石油是关于石油成因，现在较为一致观点：石油是远古时代海洋或湖泊中动植遗体，在地下经远古时代海洋或湖泊中动植遗体，在地下经过漫长复杂改变而形成棕黑色黏稠液态混合过漫长复杂改变而形成棕黑色黏稠液态混合物。物。石油由来石油由来第19页当前查明储量最大产油带有两个，这两个都当前查明储量最大产油带有两个，这两个都曾是海槽，所以有曾是海槽，所以有“海相成油海相成油”学说。学说。1.长科迪勒地带：北起阿拉斯加到加拿大，经长科迪勒地带：北起阿拉斯加到加拿大，经美国西海岸，到南美委内瑞拉、阿根挺。美国西海岸，到南美委内瑞拉、阿根挺。2.特提斯地带：从地中海经中东到印尼。特提斯地带：从地中海经中东到印尼。石油分布石油分布第20页石油分布石油分布我国已经开发大小油田有我国已经开发大小油田有160多个：大庆、胜多个：大庆、胜利、中原、华北、大港等。利、中原、华北、大港等。我国还有大量油气资源（大陆架）我国还有大量油气资源（大陆架）第21页石油是极其庞杂混合物，其中绝大多数是碳氢化合物(烃)。未经处理石油叫原油。原油须经处理才能使用，处理方法主要有：分馏、裂化、重整、精制等石油化工工业。分馏是对不一样沸点化合物进行分离一个方法。2前，人类就开始用蒸馏方法提炼石油。最先出来沸点最低：汽油；其次是煤油；剩在锅里是重油：柴油、润滑油、凡士林、石蜡、沥青。石油组成与分馏石油组成与分馏第22页石油组成与分馏石油组成与分馏第23页石油组成与分馏石油组成与分馏第24页石油组成与分馏石油组成与分馏第25页辛烷值辛烷值惯用来衡量汽油抗震程度，把抗震性很惯用来衡量汽油抗震程度，把抗震性很好异辛烷好异辛烷(2,2,4-三甲基戊烷三甲基戊烷)辛烷值定为辛烷值定为l00，爆震性极强正庚烷辛烷值定为，爆震性极强正庚烷辛烷值定为0。把汽油抗。把汽油抗震性和这两种烃不一样百分比混合物进行比较，震性和这两种烃不一样百分比混合物进行比较，就能够得到该汽油就能够得到该汽油相对辛烷值相对辛烷值。汽油和汽油标号汽油和汽油标号第26页当前，我国使用车用汽油标号就是按照汽油辛当前，我国使用车用汽油标号就是按照汽油辛烷值大小划分，比如烷值大小划分，比如90号汽油表示该汽油辛烷号汽油表示该汽油辛烷值不低于值不低于90，其抗震性相当于，其抗震性相当于90异辛烷与异辛烷与10正庚烷混合物正庚烷混合物(并非一定含有并非一定含有90异辛烷异辛烷)。汽油和汽油标号汽油和汽油标号第27页为了提升汽油辛烷值，过去广泛使用一个为了提升汽油辛烷值，过去广泛使用一个方法是在汽油中添加少许抗震剂方法是在汽油中添加少许抗震剂四乙基铅四乙基铅（Pb(C2H5)4，汽油精，有毒），汽油精，有毒）含铅汽油含铅汽油；1升汽油中若加入升汽油中若加入1毫升四乙基铅，它辛烷值能毫升四乙基铅，它辛烷值能够提升够提升1012个标号。个标号。现在为了提升汽油辛烷值，普通采取现在为了提升汽油辛烷值，普通采取甲基甲基叔丁基醚叔丁基醚CH3OC(CH3)3，又名，又名MTBE作作为高辛烷值组分为高辛烷值组分无铅汽油无铅汽油。汽油和汽油标号汽油和汽油标号第28页用上述加热蒸馏方法所得轻油约占原油用上述加热蒸馏方法所得轻油约占原油1/31/4。但伴随汽车普及，当今社会，需要。但伴随汽车普及，当今社会，需要大量分子量小各种烃类，汽油用量远大于煤大量分子量小各种烃类，汽油用量远大于煤油。能否将煤油变成汽油呢？怎样提升汽油油。能否将煤油变成汽油呢？怎样提升汽油性能和品质呢？性能和品质呢？热裂法热裂法（催化裂解法制汽油）（催化裂解法制汽油）催化重整法催化重整法加氢精制加氢精制石油提炼石油提炼第29页经测定，汽油主要成份是经测定，汽油主要成份是78个个C原子烷烃，原子烷烃，而煤油为含而煤油为含1015个个C原子烷烃。原子烷烃。在加热加压条件下，经过催化剂，大分子分在加热加压条件下，经过催化剂，大分子分裂为小分子，煤油变成汽油。如：裂为小分子，煤油变成汽油。如：经催化裂化，从重油中能取得更多乙烯、丙经催化裂化，从重油中能取得更多乙烯、丙烯、丁烯等化工原料，也能取得较多很好汽烯、丁烯等化工原料，也能取得较多很好汽油。油。煤油变汽油煤油变汽油热裂法热裂法第30页提升汽油辛烷值（汽油性能表征）提升汽油辛烷值（汽油性能表征）这是石油工业中另外一个主要过程。在一定这是石油工业中另外一个主要过程。在一定温度压力下，汽油中直链烃在催化剂表面上温度压力下，汽油中直链烃在催化剂表面上进行结构进行结构“重新调整重新调整”，转化为带支链烷烃，转化为带支链烷烃异构体，这就能有效地提升汽油辛烷值，同异构体，这就能有效地提升汽油辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃，它是原油中含量时还可得到一部分芳香烃，它是原油中含量极少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需极少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要化工原料，能够说是一举两得。要化工原料，能够说是一举两得。提升油品质量提升油品质量催化重整法催化重整法第31页分馏和裂解所得汽油、煤油、柴油中都混有分馏和裂解所得汽油、煤油、柴油中都混有少许含少许含N或含或含S杂环有机物，在燃烧过程中会杂环有机物，在燃烧过程中会生成生成NOx及及SO2等酸性氧化物污染空气，当环等酸性氧化物污染空气，当环境保护问题日益受关注时，对油品中境保护问题日益受关注时，对油品中N，S含含量限制也就愈加严格。量限制也就愈加严格。现行方法是用催化剂在一定温度和压力下使现行方法是用催化剂在一定温度和压力下使H2和这些杂环有机物起反应生成和这些杂环有机物起反应生成NH3或或H2S而而分离，留在油品中只是碳氢化合物。分离，留在油品中只是碳氢化合物。提升油品质量提升油品质量加氢精制法加氢精制法第32页天然气主要成份是天然气主要成份是甲烷甲烷(CH4)，也有少许乙烷，也有少许乙烷(C2H6)和丙烷和丙烷(C3H8)，它和石油伴生，每吨石，它和石油伴生，每吨石油大约伴有油大约伴有1000m3天然气。天然气是最天然气。天然气是最“清清洁洁”燃料，燃烧产物燃料，燃烧产物CO2和和H2O，都是无毒物，都是无毒物质，而且热值也很高质，而且热值也很高(56kJg-1)，管道输送，管道输送也很方便。也很方便。石油气中丁烷石油气中丁烷(C4H10)沸点为沸点为-0.5，稍加压，稍加压力即可液化储于高压钢瓶中。当打开阀门减力即可液化储于高压钢瓶中。当打开阀门减压时即可气化点燃使用，城市居民用压时即可气化点燃使用，城市居民用石油液石油液化气化气主要成份就是主要成份就是丁烷丁烷。天然气（与石油伴生）天然气（与石油伴生）第33页天然气可分为两种：天然气可分为两种：干天然气（含甲烷干天然气（含甲烷80-90%），难液化，惯），难液化，惯用于燃料。我国天然气多为干天然气用于燃料。我国天然气多为干天然气湿天然气，加压降温时易液化，常作裂解气湿天然气，加压降温时易液化，常作裂解气原料，制取乙烯。原料，制取乙烯。我国天然气陆上资源主要集中在我国天然气陆上资源主要集中在四川盆地四川盆地、陕甘宁地域陕甘宁地域、塔里木盆地塔里木盆地和和青海青海，海上资源，海上资源集中在集中在南海南海和和东海东海。另外，在。另外，在渤海渤海、华北华北等等地域还有部分资源可利用。地域还有部分资源可利用。天然气（与石油伴生）天然气（与石油伴生）第34页除作燃料外，天然气还可经过化学转化成为除作燃料外，天然气还可经过化学转化成为主要化工原料和其它形式能源。主要化工原料和其它形式能源。天然气（与石油伴生）天然气（与石油伴生）第35页我国南海地域发觉了储量可观我国南海地域发觉了储量可观甲烷水合物甲烷水合物，即即可燃冰可燃冰。是甲烷分子藏在冰晶体空隙中形。是甲烷分子藏在冰晶体空隙中形成，甲烷分子与水分子（成，甲烷分子与水分子（1 5.74）之间存在）之间存在范德华力。形成可燃冰必要条件是高压，故范德华力。形成可燃冰必要条件是高压，故可燃冰存在于可燃冰存在于300米以上深海米以上深海深度。提升到海深度。提升到海平面后，平面后，1m3可燃冰可释放出可燃冰可释放出164m3甲烷。甲烷。天然气（甲烷水合物，可燃冰）天然气（甲烷水合物，可燃冰）第36页核能是人类历史上一项伟大创造，这离不开核能是人类历史上一项伟大创造，这离不开早期西方科学家探索发觉，他们为核能应用早期西方科学家探索发觉，他们为核能应用奠定了基础。奠定了基础。5.3 5.3 核能和平利用与化学核能和平利用与化学第37页1895年，德国物理学家伦琴发觉了X射线（第一个获诺贝尔物理奖）。1896年，法国物理学家贝克勒尔发觉了放射性（与居里夫妇共获19诺贝尔物理学奖）。核能应用历史核能应用历史 第38页1898年，居里夫妇先后发觉新放射性元素钋(p)和镭。19，居里夫妇和亨利贝克勒尔共同取得了诺贝尔物理学奖，居里夫人（法国籍，波兰人）是历史上第一个取得诺贝尔奖女性。19，居里夫人又因为成功分离了镭元素而取得诺贝尔化学奖，成为历史上第一个取得两项诺贝尔奖人，而且是仅有两个在不一样领域取得诺贝尔奖人之一（莱纳斯卡尔鲍林 1954年化学奖，1962年和平奖）。核能应用历史核能应用历史 第39页玛丽亚玛丽亚斯克沃多夫斯卡斯克沃多夫斯卡-居里（居里（MariaSklodowska-Curie）玛丽玛丽居里（居里（MarieCurie）核能应用历史核能应用历史 第40页二十世纪初，卢瑟福提出放射性元素衰变理论、实现了人工核反应（19获诺贝尔化学奖）。1934年，费米用中子轰击原子核产 生人工放射现象（1938年获诺贝尔 物理奖）1938年，德国科学家奥托哈恩用中 子轰击铀原子核，发觉了核裂变现 象（1944年获诺贝尔化学奖）。核能应用历史核能应用历史 第41页核能应用历史核能应用历史 1942年年12月月2日日美国芝加哥大学成功开启了世美国芝加哥大学成功开启了世界上第一座核反应堆。界上第一座核反应堆。1957年苏联建成了世界年苏联建成了世界上第一座核电站上第一座核电站奥布灵斯克核电站。奥布灵斯克核电站。第42页核能核能（或称原子能）：经过原子核发生反应（或称原子能）：经过原子核发生反应而释放出巨大能量。核能经过三种核反应之而释放出巨大能量。核能经过三种核反应之一释放：一释放：核裂变核裂变、核聚变核聚变和和核衰变核衰变（自然慢（自然慢得多裂变形式）。当前工业上大规模应用是得多裂变形式）。当前工业上大规模应用是核裂变能。核裂变能。核反应核反应：使原子核转变成新原子核过程。：使原子核转变成新原子核过程。核反应与核能核反应与核能 第43页核裂变核裂变：用中子（：用中子（10n）轰击重原子核，使一）轰击重原子核，使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量（较轻）原子核反应，称为核裂变。核裂量（较轻）原子核反应，称为核裂变。核裂变是取得核能主要路径之一。变是取得核能主要路径之一。只有一些质量非常大原子核，像铀、钍等才只有一些质量非常大原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。能发生核裂变。核裂变核裂变第44页原子核在发生核裂变时，释放出巨大能量，原子核在发生核裂变时，释放出巨大能量，1g铀铀-235(92235U)发生裂变时释放能量为发生裂变时释放能量为8 107kJ，而，而1g煤完全燃烧时释放能量仅为煤完全燃烧时释放能量仅为30kJ。这就是说，这就是说，1g铀铀-235裂变所产生能量相当于裂变所产生能量相当于约约2.7吨煤燃烧时所放出能量。可见核能是多吨煤燃烧时所放出能量。可见核能是多么巨大。么巨大。核裂变核裂变第45页要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控。实现可控链式反应第二，链式反应必须是可控。实现可控链式反应装置称为装置称为反应堆反应堆。链式反应链式反应：当中子轰击铀核使核发生分裂时，：当中子轰击铀核使核发生分裂时，又有新中子产生从而再轰击别铀核，使这一反又有新中子产生从而再轰击别铀核，使这一反应像链条一样一环扣一环连续下去。链式反应应像链条一样一环扣一环连续下去。链式反应速度非常之快。速度非常之快。费米提出链式反应概念；居里夫妇证实了链式费米提出链式反应概念；居里夫妇证实了链式反应可能性。反应可能性。核裂变核裂变第46页链式反应链式反应中子中子铀铀-235核分裂核分裂逃逃逸逸第47页核反应堆与核电站核反应堆与核电站 核反应堆核反应堆：即原子反应堆，装配了核燃料：即原子反应堆，装配了核燃料以实现大规模可控制核裂变链式反应装置以实现大规模可控制核裂变链式反应装置。核电站发电原理核电站发电原理：核裂变链式反应会产：核裂变链式反应会产生大量热能，用循环水生大量热能，用循环水(或其它物质或其它物质)带走热带走热量既可防止反应堆因过热烧毁，又可加热水量既可防止反应堆因过热烧毁，又可加热水使之变成水蒸气，使核能转变成热能。蒸汽使之变成水蒸气，使核能转变成热能。蒸汽经过管路进入汽轮机，推进汽轮发电机发电，经过管路进入汽轮机，推进汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。使机械能转变成电能。第48页 核反应堆结构：由一回路系核反应堆结构：由一回路系统统(核蒸汽供给核蒸汽供给系统系统)和和二回路系二回路系统统(汽轮发电机系统汽轮发电机系统)组组成。成。反应堆是核电站关键。反应堆工作时放出热能，反应堆是核电站关键。反应堆工作时放出热能，由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。所由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。所以，整个一回路系统被称为以，整个一回路系统被称为“核供汽系统核供汽系统”，它相当于火电厂锅炉系统。为了安全，整个一它相当于火电厂锅炉系统。为了安全，整个一回路系统装在一个被称为安全壳密闭厂房内。回路系统装在一个被称为安全壳密闭厂房内。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电二回路系统，由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电二回路系统，与火电厂汽轮发电机系统基本相同。与火电厂汽轮发电机系统基本相同。核反应堆与核电站核反应堆与核电站第49页生态系统生态系统核能应用历史核能应用历史 第50页核反应堆与核电站核反应堆与核电站第51页原子弹主要是利用核裂变释放出原子弹主要是利用核裂变释放出来巨大能量来起杀伤作用一个武来巨大能量来起杀伤作用一个武器。它与核反应堆一样，依据一器。它与核反应堆一样，依据一样是核裂变链式反应。样是核裂变链式反应。反应堆中链式反应中子增殖系数反应堆中链式反应中子增殖系数k大于大于1，不加控制话，链式反应，不加控制话，链式反应规模将越来越大，最终将发生爆规模将越来越大，最终将发生爆炸，也就成了炸，也就成了“原子弹原子弹”。附：原子弹附：原子弹第52页1964年年10月月16日，日，中国第一颗原子弹爆中国第一颗原子弹爆炸成功炸成功第53页1945年年8月，美国投到日本广岛原子弹月，美国投到日本广岛原子弹(代号代号叫叫“小男孩小男孩”)美国投于日本长崎那颗原子弹美国投于日本长崎那颗原子弹(代号叫代号叫“胖子胖子”)，附：原子弹附：原子弹第54页1、放射性废料危害、放射性废料危害核废料进入环境后会造成水、大气、土壤污核废料进入环境后会造成水、大气、土壤污染，并经过各种路径进入人体，当放射性辐染，并经过各种路径进入人体，当放射性辐射超出一定水平，就能杀死生物体细胞，妨射超出一定水平，就能杀死生物体细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引发细胞内遗传信碍正常细胞分裂和再生，引发细胞内遗传信息突变。息突变。受放射性污染人在多年或数十年后，可能出受放射性污染人在多年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。产、死产等遗传效应。核裂变能利用带来问题核裂变能利用带来问题第55页2、放射性核废料处理、放射性核废料处理与核能相关一个最困难问题就是在开采、燃与核能相关一个最困难问题就是在开采、燃料生产以及反应堆运行过程中产生核废料处料生产以及反应堆运行过程中产生核废料处理。当前，核废料处理有理。当前，核废料处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三种方法。三种方法。核裂变能利用带来问题核裂变能利用带来问题第56页所谓所谓“天葬天葬”是指：把核废料先固化成玻璃是指：把核废料先固化成玻璃块，装到特制合金块，装到特制合金“棺棺”中，在中，在“棺材棺材”外外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定轨道，机械手随即把它推入太空，再点预定轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入燃助推火箭将它送入3000千米轨道上，让核千米轨道上，让核废料远远离开人类生活地球。废料远远离开人类生活地球。核裂变能利用带来问题核裂变能利用带来问题第57页“火葬火葬”：地下挖一深坑，放射性物质放入：地下挖一深坑，放射性物质放入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，产生坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，产生强大电流使坑内泥土温度上升到几强大电流使坑内泥土温度上升到几baidu。在。在高温下泥土溶化，使核废料均匀地分布在泥石高温下泥土溶化，使核废料均匀地分布在泥石浆中。冷却后，泥石浆与核废料一起形成了一浆中。冷却后，泥石浆与核废料一起形成了一个类似天然岩石坚硬物质，其硬度比天然花岗个类似天然岩石坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最终用泥土把坑封死，一切放射小了好几倍。最终用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。性物质均被围困在里面，不会外泄。核裂变能利用带来问题核裂变能利用带来问题第58页“水葬水葬”就是将深海作为核废料就是将深海作为核废料“墓场墓场”。将核废料装入密封合金棺，再用混凝土密封将核废料装入密封合金棺，再用混凝土密封在海底下面。在海底下面。核裂变能利用带来问题核裂变能利用带来问题第59页核聚变核聚变：由很轻原子核在极高温度下合并成：由很轻原子核在极高温度下合并成一个较重原子核反应。如氢原子核（氘和氚）一个较重原子核反应。如氢原子核（氘和氚）结合成较重原子核（氦）时放出巨大能量。结合成较重原子核（氦）时放出巨大能量。核聚变释放出能量巨大。如核聚变释放出能量巨大。如1g氘（氘（12H）发生）发生聚变时释放能量是聚变时释放能量是6 108kJ。核聚变核聚变第60页太阳中心发生核聚变，放出巨大能量。在太太阳中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然核聚变过程已经发生了几阳内部，这个天然核聚变过程已经发生了几十亿年了。十亿年了。核聚变核聚变第61页和平利用核聚变能试验非常困难，因为核力和平利用核聚变能试验非常困难，因为核力是一个短程力，只有当它们之间距离靠近到是一个短程力，只有当它们之间距离靠近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，才大约万分之一毫米时，核力能才起作用，才能使两个原子核聚合起来放出巨大能量。能使两个原子核聚合起来放出巨大能量。全部原子核都带正电，两个带正电原子核相全部原子核都带正电，两个带正电原子核相互靠近时，它们之间库仑斥越来越大。所以互靠近时，它们之间库仑斥越来越大。所以实现聚变反应条件是反应中原子核必须含有实现聚变反应条件是反应中原子核必须含有很高能量来克服静电斥力，使两核之间距离很高能量来克服静电斥力，使两核之间距离进入核力力程。据测算这么能量将使氘核温进入核力力程。据测算这么能量将使氘核温度到达度到达5.6108k。核聚变核聚变第62页氘原子被加热到几千万甚至上亿摄氏度时候，氘原子被加热到几千万甚至上亿摄氏度时候，电子就会脱离原子核束缚，成为一团炽热气体电子就会脱离原子核束缚，成为一团炽热气体等离子气体。等离子气体。怎样容纳这么热等离子体怎样容纳这么热等离子体强大磁场能够牢牢地束缚住炽热等离子体。强大磁场能够牢牢地束缚住炽热等离子体。和平利用核聚变能、实现可控核聚变目标已露和平利用核聚变能、实现可控核聚变目标已露出胜利曙光，但还处于基础研究阶段。有教授出胜利曙光，但还处于基础研究阶段。有教授预测，预测，2050年可望实现可控核聚变堆。年可望实现可控核聚变堆。核聚变核聚变第63页附：氢弹附：氢弹 氢弹：是利用原子弹爆炸能量点燃氢同位素氘氢弹：是利用原子弹爆炸能量点燃氢同位素氘等轻原子核聚变反应，瞬时释放出巨大能量核等轻原子核聚变反应，瞬时释放出巨大能量核武器。氢弹威力比原子弹大得多。原子弹为几武器。氢弹威力比原子弹大得多。原子弹为几百至几万吨级百至几万吨级TNT当量，氢弹则可大至几千万当量，氢弹则可大至几千万吨级吨级TNT当量。当量。第64页1967年年6月月17日我国第一颗氢弹爆炸成功日我国第一颗氢弹爆炸成功 附：氢弹附：氢弹 第65页附：世界上最大一次核爆炸附：世界上最大一次核爆炸1961年年10月月30日，苏联重日，苏联重26吨吨“大伊万大伊万”氢氢弹爆炸。产生电磁扰动弹爆炸。产生电磁扰动3次传遍全球，蘑菇云次传遍全球，蘑菇云高达高达70公里。公里。4000公里内全部飞机、导弹、公里内全部飞机、导弹、雷达、通讯等设备受到影响。苏军整个通讯雷达、通讯等设备受到影响。苏军整个通讯失去联络时间长达一个多小时。美军驻阿拉失去联络时间长达一个多小时。美军驻阿拉斯加和格陵兰岛上电子系统大都受损，雷达斯加和格陵兰岛上电子系统大都受损，雷达无法操作，通讯中止无法操作，通讯中止。第66页附：世界上最大一次核爆炸附：世界上最大一次核爆炸第67页5.4.1化学电源化学电源化学电源化学电源(化学电池化学电池)：将化学能直接转变为：将化学能直接转变为电能装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶电能装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中正、负电极和连接电极导线。依据能否液中正、负电极和连接电极导线。依据能否充电复原，分为原电池和蓄电池两种。充电复原，分为原电池和蓄电池两种。5.4 5.4 新能源与化学新能源与化学 第68页锌锰干电池：锌锰干电池：负极负极是锌做圆是锌做圆筒，筒，正极正极是一是一根碳棒，周围根碳棒，周围被二氧化锰、被二氧化锰、碳粉和氯化铵碳粉和氯化铵混合剂包围。混合剂包围。原电池原电池第69页干电池放电时反应以下：干电池放电时反应以下：负极：负极：Zn-2e-=Zn2+正极：正极：2NH4+MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O电池反应电池反应:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+MnO+H2O使用过程中，负极锌筒逐步消耗以致穿漏，正使用过程中，负极锌筒逐步消耗以致穿漏，正极处极处MnO2活性逐步衰减，最终干电池不再活性逐步衰减，最终干电池不再供电而失效。供电而失效。原电池原电池第70页蓄电池又称二次电池，能蓄电池又称二次电池，能够经过充电使活性物质够经过充电使活性物质再生。蓄电池两极均以再生。蓄电池两极均以铅板为骨架，铅板为骨架，正极正极铅板铅板上是二氧化铅，上是二氧化铅，负极负极铅铅板上是海绵状铅。板上是海绵状铅。蓄电池蓄电池内部结构内部结构内部结构内部结构外部结构外部结构外部结构外部结构第71页蓄电池蓄电池放电时发生以下反应：放电时发生以下反应：负极负极(Pb):Pb+SO42-2e-=PbSO4正极正极(PbO2):PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O电池充电时发生与电池充电时发生与上述反应相反反应上述反应相反反应蓄电池蓄电池电动自行车电动自行车电动自行车电动自行车第72页锂电池分为一次电池和二次电池两类，时钟锂电池分为一次电池和二次电池两类，时钟电源、数据备份电源、相机等耗电量较低电电源、数据备份电源、相机等耗电量较低电子产品中主要使用不可充电一次锂电池，而子产品中主要使用不可充电一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大电子产品中则使用可充放电二次锂电量较大电子产品中则使用可充放电二次锂电池。电池。锂电池锂电池锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车第73页当前，商业化锂离子二次电池正极材料主要当前，商业化锂离子二次电池正极材料主要是是LiCoO2，负极材料主要为，负极材料主要为C，充充电时发生电时发生以下反应：以下反应：正极反应：正极反应：LiCoO2xe-Li1-xCoO2+xLi+负极反应：负极反应：C+xLi+xe-CLix电池总反应：电池总反应：LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应逆反应。放电时发生上述反应逆反应。锂电池锂电池第74页锂电池优异性能是：比能量高，使用温度范锂电池优异性能是：比能量高，使用温度范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成锂围广，放电电压平坦。以固体电解质制成锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降迟缓，电池寿命长，尤其适合用于时间下降迟缓，电池寿命长，尤其适合用于心脏起搏器电源。主要缺点是：在短路或一心脏起搏器电源。主要缺点是：在短路或一些重负荷下，有发生爆炸可能性。些重负荷下，有发生爆炸可能性。所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出能量。能量。锂电池锂电池第75页正极：正极：Ni电极电极NiO（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-负极：氢电极负极：氢电极1/2H2+OH-e-=H2O总反应：总反应：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2电解质：电解质：KOH电池内氢气压力：电池内氢气压力：0.3-4MPa镍氢电池（高压镍氢电池）镍氢电池（高压镍氢电池）第76页燃料电池燃料电池(FuelCell，FC)是一个把储存在是一个把储存在燃料和氧化剂中化学能高效、环境友好地按燃料和氧化剂中化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能能量转换装置（化学电化学原理转化为电能能量转换装置（化学能能-电能转换），也是一个新型无污染、无噪电能转换），也是一个新型无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率汽车动力。作音、大规模、大功率和高效率汽车动力。作为一个最靠近于实用化环境保护型新能源，为一个最靠近于实用化环境保护型新能源，燃料电池