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03能源_图文_百度文库

时间:2020-03-05来源:未知 作者:admin点击:
03能源_政史地_高中教育_教育专区。第3讲 能源、化学和社会 可持续发展 能源是经济发展的原动力,是社会繁荣 和发展的物质基础。 ★ 为工业提供动力 ★ 为农业提供保障 ★ 推动科学

  03能源_政史地_高中教育_教育专区。第3讲 能源、化学和社会 ——可持续发展 能源是经济发展的原动力,是社会繁荣 和发展的物质基础。 ★ 为工业提供动力 ★ 为农业提供保障 ★ 推动科学技术进步 ★ 促进人们生活的改善 人类进步的

  第3讲 能源、化学和社会 ——可持续发展 能源是经济发展的原动力,是社会繁荣 和发展的物质基础。 ★ 为工业提供动力 ★ 为农业提供保障 ★ 推动科学技术进步 ★ 促进人们生活的改善 人类进步的历史表明,每一次能源科技的突 破,都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。 大量使用化石燃料带来严重后果 ★ 资源日益枯竭 ★ 环境不断恶化 ★ 诱发国与国、地区与地区之间的政治 纠纷,甚至冲突和战争 ★ 能源供需之间的矛盾越来越尖锐 因此,如何合理利用现有能源,开发新能源,保 障能源安全供应和实现能源、经济、环境的协调与可 持续发展成为人类社会迫切关注的问题。 能源科技发展的每一重要环节都与化学息息相关 ★ 化石燃料的高效洁净转化 ★ 核能的控制与利用 ★ 新型绿色化学电池的研制 ★ 新能源如氢能、太阳能、生物质能等的开发 “作为一个国家, 我们需要越来越多 的能源……我们可 以开发能源,我们 可以生产和使用能 源,并且我们可以 在对自然环境加以 良好保护下这样做” Richard Bruce Cheney,美国副总统,2001 一、能源及其分类 二、能量的转化和利用 三、传统能源 四、现代新能源 五、能源的节约利用 能源及其分类 能源是什么? 能源是指能够提供某种形式能量的资源。 它既包括能提供能量的物质资源,如煤炭、 石油、天然气、氢能等,又包括能提供能量 的物质运动形式,如太阳能、风能等。 能源及其分类 能源分类 按能源的来源 ★ 来自地球以外天体的能量,最主要的是太阳辐射能,除此之 外,地球上的绝大部分能量,如煤、石油、天然气、水能、 风能等,最终都来源于太阳热核反应所释放的能量,“万物 生长靠太阳”说的就是这个道理; ★ 来自地球在形成过程中储存下来的能量,如地热能、核能; ★ 由月球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量,如潮汐能。 能源及其分类 按能源的形成 ★ 一次能源是指自然界中存在的、可直接利用其能量的能源,如 煤炭、天然气、石油、地热能、水能、风能、太阳能等; ★二次能源是指需依靠其他能源经加工、转换而得到的能源,如电 能、焦炭、汽油、柴油、氢能等。 按能源能否再生 ★可再生能源。是指不随人类的使用而减少的能源,如生物质能、 水能、风能、太阳能、潮汐能等; ★非再生能源。是指随人类的使用而逐步减少的能源,如煤、石油、 天然气等。 能源及其分类 按能源使用的成熟程度 ★ 常规能源是指人类已长期广泛使用的技术上比较成熟的能 源,如煤炭、天然气、石油等; ★ 新能源是指目前尚未大规模利用而有待进一步研究、开发和 利用的能源,如太阳能、氢能等。 按能源性质 ★ 含能体能源是指能够提供能量的物质资源,如煤炭、天然气、 石油等。这种能源若暂时不使用可以保存也可以直接储存运输; ★ 过程性能源是指能够提供能量的物质运动形式,如太阳能、 风 能等。这种能源不能保存也很难直接储存运输。 能源及其分类 按能源消耗后能否造成环境污染 ★ 污染型能源如煤炭和石油; ★ 清洁型(绿色)能源如太阳能、氢能、水能、电能和燃料 电池。 能源及其分类 种类 常规能源 新能源 一次能源 煤炭 石油 天然气 植物秸秆 水能 核能 风能 生物质能 太阳能 地热能 潮汐能 二次能源 煤气、煤油、焦炭 汽油、柴油、液化气 甲醇、酒精、 电能、 蒸汽 氢气 沼气 激光 能量的转化和利用 能量是什么?它有哪些形式? 能量是对一切宏观、微观物质运动的描述,它是 物质运动的量化转换,简称“能”。相应于不同形 式的运动,能量分为机械能、电能、化学能、原子 能、热力学能等。 运动形式 宏观物体的机械运动 带电粒子的定向运动 分子运动 原子运动 光子运动 能量形式 动能/势能 电能 热能 化学能 光能 能量的转化和利用 一般在常用语中或在科普读物中能量是指一 个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、 可以相当于做一定量的功。 在物理学中,能量是描写一个系统或一个 过程的一个量。它往往被视为某一个物理系统 对其他的物理系统做功的能力。由于功被定义 为力作用一段距离,因此能量总是等同于沿着 一定的长度阻挡大自然基本力量的能力。 能量的转化和利用 风能 能量的转化形式有哪些? 光能 化学能 电能 潮汐能 热能 机械能 能量的转化和利用 火力发电厂外景 能量的转化和利用 火力发电厂示意图 能量的转化和利用 化学能 热能 机械能 电能 燃烧器 涡轮机 发电机 总效率=燃烧器效率×沸腾器效率×涡轮机效率 ×发电机效率×输电线效率×家用电器热效率 =0.60 × 0.90 × 0.75 × 0.95 × 0.90 × 0.98 =0.34 能量的转化和利用 如何找到热值高的燃料? 将已知燃料和过量氧气 引入氧弹中,密封,浸 入量热筒,电流通过熔 丝点火,引发反应。最 后根据温度计温度变化 测定反应放出的能量 能量的转化和利用 CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) 反应物的能量 CH4(g) + 2O2(g) 1mol 2mol 能差 = -802.3kJ(放热) 产物的能量 CO2(g) + 2H2O(g) 1mol 2mol 能量的转化和利用 CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) 旧的化学键断裂,新的化学键生成 分子 CH4 2O2 CO2 2H2O 总键数 4 2 2 4 化学键变化 断裂 断裂 生成 生成 键能/kJ +411 +494 -799 -459 总能量/kJ 1644 988 -1598 -1836 -802kJ 能量的转化和利用 过渡态 生成物 活化能Ea 过渡态 反应物 反应物 生成物 能量的转化和利用 化学能 热能 热力学第二定律与 自发过程 机械能 电能 燃烧器 涡轮机 发电机 整个过程能量转化服从热力学第一定律! 能量的转化和利用 热力学第二定律与 自发过程 开尔文表述为:从一个热源吸热,使之完全转变 为功,而不产生其它变化是不可能的。 克劳修斯表述为:不可能把热从低温物体传到高 温物体,而不引起其他变化。 热力学第二定律的实质:自然界中一切实际进行 的过程(指宏观过程)包括化学反应都有一定的方向, 不可能自发地按原过程逆向进行,即自然界中一切实 际发生的过程都是不可逆的。 能量的转化和利用 热力学第二定律与 自发过程 自发过程是指不需要环境做功就能自动 发生的过程。 ★ 水自高处向低处流; ★ 热自动由高温物体传向低温物体; ★ 气体从压力高的地方流向压力低的地方; ★ 铁器在空气中会生锈。 ?? 能量的转化和利用 热力学第二定律与 自发过程 物质系统变化的方向 ★ 当系统与环境之间没有物质和能量交换时,即孤立系统,自 发过程的结果,使系统的混乱度增加,系统趋向于取得最大 的混乱度。在热力学中 ,系统的混乱度用熵(S)表示,混乱 度越大,熵就越大。也就是说,对于孤立系统,系统向着熵 增大的方向进行。 ★ 一切自发过程都具有一种潜在的“推动力”,可以利用这种推 动力来做功,自发过程都具有做功能力,使系统能量处于最 低。 传统能源 化石燃料 国家/地区 能源消耗总量 石油 天然气 煤炭 水电 核能 美国 2297.8(100) 914.3(40) 566.8(25) 573.9(25) 60.9(2) 181.9(8) 中国 1178.3(100) 275.2(23) 29.5(3) 799.7(68) 64.0(5) 9.8(1) 俄罗斯 670.8(100) 124.7(19) 365.2(54) 111.3(17) 35.6(5) 34.0(5) 日本 504.8(100) 248.7(49) 68.9(14) 112.2(22) 22.8(5) 52.2(10) 印度 345.3(100) 113.3(33) 27.1(8) 185.3(54) 15.6(4) 4.1(1) 德国 332.2(100) 125.1(38) 77.0(23) 87.1(26) 5.7(2) 37.3(11) 巴西 181.4(100) 84.1(46) 14.3(8) 11.0(6) 68.9(38) 3.0(2) 亚太 2908.4(100) 1049.1(36) 310.9(11) 1306.2(45) 137.5(4) 104.7(4) 合计 9741.1(100) 3636.6(37) 2331.9(24) 2578.4(26) 595.4(7) 598.8(6) 2003年世界一些国家和地区一次能源消耗情况 传统能源 化石燃料 国家 原油 天然气 美 国 850.0 (37) 621.0 原煤 524.6 核能 192.2 水力 再生 58.8 39.1 总量 2285.7 中 国 428.6 98.1 1713.5 (70) 16.7 163.1 12.1 2432.2 俄联邦 147.6 372.7(54) 93.8 38.5 38.1 0.1 690.9 巴 西 116.9 23.8 12.4 3.3 89.6(35) 7.9 253.9 法 国 83.4 42.2 12.1 96.9(38) 14.3 3.4 252.4 新西兰 6.9 3.7 1.0 - 5.5 1.8 (9.5) 18.9 2010年世界一次能源消费结构 单位:百万吨油当量 传统能源 ★ 煤与洁净煤技术 1g木材:10-14kJ 1g煤:30kJ 工业革命时期英国的一家煤矿 煤与洁净煤技术 ★ 煤的主要成分 煤(coal):是由古生的植物随着地壳变动被埋入地下, 经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用逐渐演化 形成的可燃性固体矿物。 煤是由有机物和无机物组成的混合物,主要化学 组成为:C135H96O9NS ,此外还含有少量的Si、Na、 Ca、Al、Ni、Cu、Zn等; 煤与洁净煤技术 ★ 煤的等级 煤级 固定碳质量分数/% 燃烧热值/(kJ·kg-1) 挥发分质量分数/% 泥煤 60 ~1.3×104 __ 褐煤 60~75 (2.5~3.0)×104 40 烟煤 无烟煤 75~90 90 (3.0~3.7)×104 (3.2~3.6)×104 10~40 40 煤与洁净煤技术 盖斯定律 (kJ) 0 -100 能 量 -200 -300 -400 C(s) + O2(g) C(s) + 1/2O2(g)→CO(g) 110.5kJ CO(g)+1/2O2(g) C(s) +O2(g)→CO2(g) 393.5kJ CO(g)+1/2O2(g) →CO2(g) 283.0kJ CO2(g) 煤与洁净煤技术 ★ 煤作为固体燃料的缺陷 ? 开采困难、危险,代价高昂 2008年我国共组织查 处煤矿事故1901起, 全国煤矿共发生重特大 事故38起,死亡707人。 2010年7月17日起3天 连发4起矿难。 形成地洞,导致腐蚀土壤堆积,导致地陷 煤与洁净煤技术 ★ 煤作为固体燃料的缺陷 ? 燃烧速度慢 ? 不适用多数运输业(尤其是汽车)作动力源 ? 燃烧带来严重环境问题 燃烧时产生硫氧化物和氮氧化物,会在大气中形 成酸性沉降物。此外,产生温室气体二氧化碳。 ? 存在煤渣等固体垃圾的处理问题 煤的储量比石油多20~40倍! 煤与洁净煤技术 ★ 洁净煤技术 洁净煤技术是指煤炭开发和利用过程中,旨在减 少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化等一系 列新技术的总称。 煤与洁净煤技术 ★ 洁净煤技术 洁净煤技术 煤的汽化 煤的液化 1 煤的干馏 焦炭+煤焦油+焦炉气 2 水煤气 CO+H2 3 合成天然气 CH4+H2O 4 合成气(2+3) 1 直接液化法: 高温高压下催化加氢 2 间接液化法: 先制备CO和H2为主的合 成气,再利用催化反应合 成与石油、柴油类似的液 化煤 传统能源 ★ 石油 1g煤:30kJ 1g石油:48kJ 传统能源 ★ 石油 石油(petroleum):是由远古大批冲至海底或湖泊中 的动植物遗体,在地下经漫长的复杂变化而形成的 棕黑色粘稠液态混合物。 ★ 石 油 的 炼 制 传统能源 ★ 石 油 的 炼 制 现代新能源 世界最大的格拉弗林核电站 核能 位于法国北部的大 西洋岸,估地150 公顷,其中2/3是 填海地。电站有6 个核反应堆,每堆 一个发电机组,功 率90万千瓦,共 540万千瓦. 核能 核反应堆 核能 ★ 核能的源起 Lise·Meitner(莉泽·迈 特纳,1878-1968), 与奥托·弗利西同时发 现了中子作用下铀的裂 变,为纪念她的工作, 109号元素被命名为 Meitnerium 核能 ★核裂变反应 核裂变反应(nuclear fission reaction):是用中 子轰击较重(铀、钚)原子核,使之分裂成较轻的 原子核的反应。 15464Ba +3960Kr +2 1 0n 23925U + 10n 15443Xe +3980Sr +3 10n 51331I +14002Zr+3 10n 核能 ★核裂变反应 核裂变是链式反应! 核能 ★核裂变反应 1g 235U 裂变放出的能量是多少呢? 由爱因斯坦方程:ΔE= Δm ? c2 得: -9.0×107kJ 相当于30吨TNT爆炸放出的能量! 相当于燃烧3吨煤! 可以把700000辆汽车向空中提升2米! 核能 ★ 核能的利用 核电站示意图 核能 ★ 核发电与火力发电比较所具有的优势 ? 能量巨大,且燃料能量密度高 ? 发电成本低 ? 它是一种清洁能源。无煤渣、无烟尘和无 CO、 CO2、 NOx、 SO2等有害气体排放 ? 可建在交通不便的高山、海岛和沙漠特殊地 域 核能 核反应堆 核电有两个问题必须引 起高度重视: ? 电站的运行安全 ? 核废料的处理 核能 ★ 核电站的安全运行 由于U-235裂变产生 的碎核大都具有放射 性,当然核电站在运 行过程中不可避免地 会产生一些废气、废 液和固体放射性废物。 核能 ★ 核辐射危害 α、 β、 γ射线的辐射特征 ?细胞的衰亡加速 和抑制新细胞的 生成; ?造成细胞畸形; ?造成人体内生化 反应的改变; ┅┅ 核能 ★ 核辐射危害症状 血球发生变化、倦怠、全身无力、 甲状腺疾病、胎儿畸形 …… 核能 ★ 核废料的处理 ?放射性废气经过活性炭吸附和过滤后通过烟高空排 放,排放口设置有专门的放射性监测仪表,进行连续 监测和取样,当排放水平超过规定值时有警报信号。 ?放射性废液经蒸发浓缩、离子交换处理后,一部分可 循环使用,一部分经监测合格后向江、河、海排放, 浓缩液则需进一步处理,固化为固体废物。 核能 ?最难处理的是固体废物 ? 将废物直接深埋于地下; ? 将废料装在金属桶内,外加一层混凝土或沥青,弃 于海底; ? 将核废料中的放射性物质分离后,通过核反应将其 转化为危害很小的短寿命放射性核素或稳定核素, 通过这些“后处理”就降低了废料安全储存的技术 难 度。 …… 核能利用的风险并未完全消除! 核能 ★ 核聚变反应 核聚变反应(nuclear fusion reaction):很 轻的原子核在异常高的温度下合并成较重原子 核的反应。 21H +3 1H 24He +10n 由爱因斯坦方程:ΔE= Δm ? c2 得: 相当于核裂变能量的4倍! 核能 ★ 核聚变反应原理 核能 ★ 核聚变反应的应用研究 2009年中国自主研制的核聚变实验装置 核能 ★ 核聚变反应的应用研究 ?如何取得所需的高温; ?用什么材料制造反应器; ?如何控制聚变过程; …… 核能 ★ 核聚变能应用前景广阔 ? 核聚变燃料储量丰富; ? 核聚变燃料提炼容易; ? 没有放射性污染物。 现代新能源 太阳能 美国加州南部的太阳能热电厂 世界上最大的太阳能热电厂 Solar Energy Generating Systems, SEGS),1990年建成, SEGS由分布在麽哈维 沙漠(Mojave Desert) 里相互独立的9个子电 厂组成,总装机容量为 354兆瓦。 太阳能 ★ 光热转换 利用各种集热器将太阳能收集并转换成热能 再加以利用。应用于太阳能热水器、太阳能干 燥器、太阳能制冷空调、海水淡化器、太阳能 热电站等。 ★ 光电转换 利用太阳辐射能转换成电能再加以利用。主 要应用于太阳能电池和太阳能光电厂等。 太阳能 西班牙Olmedilla Photovoltaic Park电厂 世界上最大的太阳能光电厂 电厂由162000块太阳 能光电板组成,晴朗天 气下一天可以产生60 兆瓦电能。该工程费时 15个月建成,总投资 有5.3亿美元,采用传 统的硅面板。 现代新能源 氢能 ★氢能的优点 ?热值高; H2 (g) + 1/2O2(g) = H2O(l) -285.8 kJ·mol-1 折合热值为142.9MJ ·kg-1,约为汽油的3倍,煤炭的6倍 ?资源丰富; ?氢燃烧性能好; ?无污染; ?氢利用形式多; ?氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物形式存在, 能适应各种应用环境的不同要求。 现代新能源 ★氢能的利用 要使氢成为广泛使用的能源,关键是要解决廉 价的制氢技术、方便安全的氢的储存和运输问题! 氢能 ★氢能的利用 凯迪拉克Provoq氢燃料电池车 与传统汽车相比,燃料电 池车能量转化效率高达 60-80%,为内燃机的2~ 3倍。燃料电池的燃料是 氢和氧,生成物是清洁的 水,它本身工作不产生一 氧化碳和二氧化碳,也没 有NOx、SO2和微粒排出。 因此,氢燃料电池汽车是 真正意义上的零排放、零 污染的车,氢燃料是完美 的汽车能源! 能源的节约利用 ★ 节约用电,节约用水 随手关灯 使用高效节能灯泡 能源的节约利用 ★ 低碳烹调,使用节能家电 选择低碳节能产品 家电不用时,关闭电源 能源的节约利用 ★ 少用一次性制品,自备购物袋 少用或不用塑料购物袋 不用一次性餐具 本节问题 ★ 你认为未来最有前景的新能源有哪些?说说理 由。 ★ 如果你作为大连市市长,对今后核能在大连 的发展有何打算?

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