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第5章 能源与化学 能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一，是我们赖以生存的重要物质基础。应重视其开发及有效与清洁利用。 化学提供人类合理使用能源的方法。 能源与化学 5.1 全球能源结构和发展 5.2 能量的产生和转化 5.3 传统能源的改进 5.4 化学与核能 5.5 开发新能源 5.1全球能源结构和发展 能源分类 可供利用的能源 中国能源消费 能源分类 一次能源：可直接利用的能源（煤、天然气、地热、水能） 二次能源：由一次能源经加工或转化成的另一种形态的能源（电力、汽油） 能源分类 常规能源：技术上成熟且已大规模生产和广泛利用的能源（石油、天然气、水能） 新能源：以新技术为基础，新近开发利用的能源（太阳能、氢能、生物质能） 能源分类 可再生能源：具有天然的自我恢复能力（太阳能、水能、风能、地热） 非再生能源：越用越少，不能再生（矿物燃料） 能源分类 污染型能源：造成环境污染（煤炭、石油） 清洁型能源：不造成环境污染（水能、氢能、太阳能） 全球所面临的能源状况 目前全世界使用的能源90% 取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。 从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为： 石 油：1万亿桶 天然气：120万亿立方米 煤 炭：1万亿吨 能源的结构和消耗 我国的能源状况 我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。 在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨， 估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨， 到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。 化石燃料 化石燃料：是指石油、天然气、煤，它们是人类生活中的主要能源。 但随着全球对能量的不断使用，必将日趋枯竭。 而且这些燃料在使用中，对环境会产生大量的污染，如煤燃烧产生的SO2，就能形成危害极大的酸雨。 风能 地球内部放射性元素不断进行热核反应，放出大量的热，温度可达6000℃，高温的热量通过厚厚的地层，时时刻刻向太空释放，这种“大地热”，称为热能， 地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。 地热 地热供暖与生活热水系统 通常利用石油、煤炭、天然气等燃料燃烧产生的热能加热水，然后再由水蒸气推动发电机发电，除此之外，还有水力发电等。 核能是由于原子核内部发生核变或聚变而产生 大量热。 可供利用的能源 煤炭－最早大规模利用的能源 石油和天然气——战后大规模利用的能源 新能源－20世纪末开始大规模利用的能源 5.2能量的产生和转化 能量的产生 能量的转化和利用 能量的产生 物质中各种化学键键能不同，当化学建改组时，伴随着能量的变化 若反应放出的能量大于吸收的能量，则反应放热 比如，在甲烷的燃烧反应中，若最后生成物是水蒸气，则放出的热就少一些。若生成液态水，则放出的热就多一些。 能量的转化和利用 各种能源形式可以互相转化 能量的转化和利用遵循两条基本规律，即： 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第一定律The first law of thermodynamics 即能量守恒及转化定律： 在体系和周围环境之间发生能量交换时，总能量保持恒定不变。 △U=Q－W 热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。 热力学第二定律 ①热量总是从高温物体(系统)传到低温物体，但不能不带有其他的变化，把热量从低温物体传到高温物体。 ②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所获得的热量转变为功。 第二类永动机不可能制造 人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。 它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。 但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的。 5.3传统能源的改进 煤的高效利用 石油催化 天然气 煤的高效利用 不同品质的煤燃烧特性不同 比如，无烟煤一般发热量很高，但着火困难，不易燃尽。 烟煤发热量较无烟煤低，但着火和燃尽都比较好。 为防止二氧化硫的污染，在粉煤中加入石灰石作为脱硫剂。 烟气脱硫、循环流化床锅炉、低NOx燃烧技术、火电厂粉煤灰综合利用。 火力发电 煤炭的结构示意图 煤的焦化（干馏） 煤的干馏：把煤隔绝空气加强热使之分解的过程。工业上是把煤放在炼焦炉内，隔绝空气加热到1000～1300℃(高温干馏)，使煤分解，得