能源开发利用中物理学的贡献.pdf

第 27 卷 第 3 期 Vol 27 No 3 钦州学院学报 JOURNAL OF QINZHOU UNIVERSITY 2012 年 6 月 June 2012 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 收稿日期 2012 03 07 作者简介 周小珠 1965 女 壮族 广西龙州人 钦州学院物理与材料科学学院副教授 能源开发利用中 物理学的贡献 周 小 珠 钦州学院 物理与材料科学学院 广西 钦州 535000 摘要 从能源科学的发展过程和物理学研究目标出发 分析了物理学的研究成果在常规能源 再生能 源以及节能技术上的贡献 重点分析了电磁转化的发现及应用 原子核物理学与核能工程 物理学与能源资源 勘探和开发 光学定律与太阳能利用 论述了物理学与能源开发利用的密切关系 认为物理学基础研究与应用 的深入发展 可为能源可持续发展做出多方面的贡献 时代对能源利用的高要求 也会反过来开拓 深化了物理 学研究的领域 促进物理学的发展 关键词 能源利用 物理学 贡献 中图分类号 O4 1 文献标识码 A 文章编号 1673 8314 2012 03 0042 04 构成客观世界的三大基础是物质 能量和信 息 1 能量是物质的属性 是一切物质运动的动 力 没有能量 物质就静止呆滞 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 能源是含有能量的 资源 是国民经济的基础 随着工业化程度的提 高 常规能源的匮乏 调整能源结构 减少温室气 体排放 加强能源安全已引起了各国的高度重视 可再生的清洁能源的开发和利用势在必行 物理 学是人类实践的产物 作为人类对物理世界客观 规律认识的结果 物理学是一个不断积累和发展 的过程 是人类经历的几千年文明的见证 进入 科学技术的任何一个领域 都必须敲开物理学的 大门 2 第一次工业革命 17 18 世纪 建立在 牛顿力学和热力学发展的基础上 其标志是以蒸 汽机为代表的一系列机械的产生和应用 第二次 工业革命 19 世纪 建立在电磁理论发展的基础 上 其标志是发电机 电动机 电信设备的出现和 应用 第三次工业革命 20 世纪 建立在相对论 和量子力学发展的基础上 其标志是以信息技术 为代表的一系列新学科 新材料 新能源 新技术 的兴起和发展 在时代诉求新能源 可再生能源 得到开发和利用的今天 从能源的演变来探究物 理学的贡献 追朔物理学的发展过程 对于把握学 科发展本质 探索学科发展规律 研究学科发展方 向 具有重要的指导意义 1物理学的研究目标 欧阳钟灿院士多次强调 周光召先生强调 物理学研究一定要有重大目标 什么是重大目标 这就是大家都在研究能源和气候 物理学不能不 动 北京大学甘子钊院士也指出 物理学为 IT 服务了 50 年 但是现在要将工作转成 ET 即服务 能量 energy 和环境 environment 科技 3 人类 生产实践和科学实验是物理学发生发展的源泉 物理学研究的内容十分广泛 自然界发生的一切 物理现象 含有运动 力 声 热 电 光 磁等现 象 以及物质的结构聚集状态和各种特性 均是物 理学的研究范畴 目前 无论是大学还是中学 物 理教学均将物理分为力学 热学 电学 光学 量子 物理学等几部分 物理学的分类并不是固定不变 的 随着科学的发展 人们对物理现象的认识不断 第 3 期 周小珠 能源开发利用中物理学的贡献 深入 物理学的分类不断变化 分得越来越细 有 许多经典的物理分支 比如力学也成为了独立学 科 并产生许多分支 如流体力学 弹性力学等 随着物理学的广泛发展 它也与其他学科结合 出 现了一系列边缘科学 例如工程热物理 现代物 理 天体物理 地球物理 生物物理等 纵观物理学发展历程 经历了几次大跳跃 大 致分为三个时期 古代物理学时期 经典物理学时 期和现代物理学时期 4 在古代物理学时期 物 理学停留在对自然现象的观察和记载上 人类对 自然现象的过程往往是思辨性的 物理学与哲 学 技术混合在一起 16 世纪后 资本主义萌芽 社会生产力得到发展 有力地推动科学的进程 到了 17 世纪晚期 牛顿建立了经典力学体系 形 成了经典力学 热力学和统计物理学 经典动力 学严密的理论体系 是人类对物理现象探索的一 次巨大飞跃 19 世纪末 一系列新的实验事实出 现 如电子无限反射的现象 黑体辐射等 使经典 物理学理论出现了不可克服的危机 导致了相对 论 量子力学相继建立 标志着物理学的革命和现 代物理学的诞生 物理学不断发展 已成为一个相当庞大的学 科群 物理学内部各分支学科之间 物理学与其 他学科之间的相互交叉 相互渗透影响形成了众 多极有前途的前沿科学 在现代社会进步的过程 中 基础性很强的物理学和应用性很强的工程技 术扮演者不同角色 不可否认的 这两者之间又 存在着紧密的联系和相互的作用 物理学对许多 工程技术领域的开创起着先导 引领的作用 工 程技术不仅直接创造生产力 产生巨大的经济效 益 反之也开创和进化物理学研究的疆域 能源 科学技术与物理学的关系就是这方面的典型代 表 2能源科学的发展 人类最早利用的能源是自然界遍地丛生的柴 草 而人类进化的动力则是劳动实践中学会了利 用火 这种远古利用能源的技术 在人类发展史上 具有深远的意义 那个时代 原始人利用摩擦生 热 燧木取火 开始了最早利用能量的方式 但这 种方式十分原始 能量的利用效率只有百分之几 18 世纪 人类发明了蒸汽机 开辟了人类利用化 石能源 煤炭的新学科 煤炭生产蒸汽 推动蒸 汽机 改革了生产方式 促进钢铁 机械制造 纺 织 交通业快速发展 随着石油天然气的发现和 利用 能源学科再次发生了革命 石油广泛应用促 进交通运输业的高速发展 特别是先进的内燃机 代替了笨重的蒸汽机 给交通运输带来了一场革 命 电能的应用是人类利用能源的另一典范 电 能科学的发展推进了社会现代化 支撑家庭和城 市的现代化生活 发展了远距离通讯业和现代交 通运输业 随着电力科学的发展 人类真正进入 现代电气化时代 核能开始了非石化能源利用的 新领域 核能的发现和利用 表明能源科学已深入 到了原子深处 这是人类对微观世界的深化 新 能源和再生能源的发展 为能源永续利用开辟了 光明之路 随着新技术的产生和进步 太阳能已 走向市场 向人类展示美好的前景 3能源科学发展过程中物理学的贡献 3 1电磁转化的发现及其应用 1820 年丹麦的物理学家奥斯特发现了电流 的磁效应 即电流周围存在着磁场 同年 法国 科学家毕奥 萨伐尔和拉普拉斯在实验基础上 分析总结出了电流元产生磁场的规律 毕 萨定律 安培由实验确立了磁场对载流导线的 作用力 安培力 矩形线圈在磁场中由于受安 培力作用会发生旋转 这就是发明电动机的原 理 1831 年法拉第发现了磁能产生电 并且给 出了磁产生电的条件和规律 法拉第电磁感 应定律 1834 年俄国的物理学家楞次给出了判 断感应电动势方向的规律 这使得发电机的发 明成为可能 随着发电机 电动机的发明 电能 的应用成为可能 5 应用电能的优点更多 电的 功能已远远超出作为燃料和动力的范围 它已 成为许多工业部门不可缺少的加工工艺和生产 装备的关键手段 电也是推动生产改革 使生 产过程走向机械化 电气化 自动化的动力 6 此外 电能广泛地渗入到社会生活的各个方面 包括家庭的电气化和社会的信息化 电能输送 方便 对环境无污染也是其它能源所望尘莫及 的 因此 世界各国都非常重视电力工业的发 展 并努力提高电气化的水平 3 2原子核物理学与核能工程 1905 年爱因斯坦提出了相对理论 作为相对 论的一个推论 爱因斯坦又提出了质能关系及著 名表达式 E mc2 开创了原子核物理和核能应用 的新时代 在此之后 一大批物理学家如卢瑟福 玻尔 查德威克 约里奥 居里夫妇等等 对核结 构和核质量的深入研究 导致了人们对原子核结 合能随原子量变化规律的认识 奠定了裂变核能 与聚变核能应用的基础 现在 人类已开始把核 34 钦州学院学报 第 27 卷 能引向和平利用的方向 作为洁净的能源 为人类 造福 目前已做出实际贡献的核能是基于核裂变 反应堆的核电站 目前 在世界电力的结构中 核 电已占有总电力的 16 我国发展核电的决策 较晚 目前核电的贡献虽然仅有约 1 2 我国的 核能开发和利用具有广阔的前景 基于核聚变反 应堆的聚变电站是解决人类未来能源问题的一个 希望 据估计 在 21 世纪后半期 受控聚变核能 将开始为清洁能源做出实际贡献 这对能源的长 期持续发展具有重要意义 3 3物理学与能源资源勘探和开发 随着资源的需求越来越大 增强能源资源勘 探 以开发潜在能源 是地球物理学一个艰巨的 任务 地球物理学是物理学发展过程中的一个 分支 着重研究大尺寸度现象和一般性原理 而 利用由此发展出来的方法 查明有用矿床和油 气资源的 就是勘探地球物理学 地球物理勘探 技术 简称物探 就是这个理论的一个应用 物 探方法是利用地球表面的引力场 磁场 电场 大地电磁场及弹性波场进行测量 计算 从而获 得地下地质结构的信息 7 在我国 地球物理勘 探已发挥了重要作用 我国现有的油气田中除 老君庙油田 延长油矿及西部少数油田是地面 地质调查发现的外 95 以上的油田是物探方 法发现的 在全球范围内 近年来在深海 及冻 土层 中 找 到 大 量 的 天 然 气 水 合 物 gas hy drates 它是甲烷 乙烷等与水分子在低温及较 高压力下凝结成的一种固态物质 简称 可燃 冰 它的储量极大 估计为现有燃料资源的 2 倍 是未来可能的新能源 寻找这种天然气水合 物主要还要依靠地震勘探技术 此外 原子分 子物理学方法对于探测开发能源资源 如利用 痕量样品通过高灵敏度的原子分子光谱分析探 测海底石油等 也将发挥重要作用 3 4光学定律与太阳能利用 可再生能源的开发利用 是一新兴产业 在我 国处在刚起步阶段 但其开发利用潜力巨大 再 生能源的开发利用 均以物理学研究的理论为基 础 人类利用太阳能有着悠久的历史 早在公元 前 11 世纪的周代 我们的祖先就开始利用铜质凹 面镜 日遂 取火 目前 太阳能的利用已日益广 泛 最原始的就是直接利用太阳晒衣服谷物和取 暖 其实 太阳能的利用方式有光热作用 光电作 用 光化学作用和光生物作用 日前 光热作用最 为成熟 不仅应用范围广 经济效益也明显 太阳 能的光热作用 就是在某种意义上将太阳看作巨 大的热源 通过传播 对流 辐射等传热过程取得 能量 然后加以利用 这些过程 遵循付里叶定 律 牛顿冷却定律及斯忒藩 玻尔兹曼定律 8 太阳能的几种利用方式中 最具前景就是光电作 用 即光发电 爱因斯坦在提出光的量子理论的 基础上 进一步提出了光电效应的概念 这是发光 二极管的理论基础 也是光伏发电的理论基础 当太阳光的光子被适当的材料吸收后 其能量将 转换到电子上 9 到达地球表面的太阳光功率强 度约为 1000W m2 当前应用的光伏能量转换器 大部分是单晶硅太阳能电池 商用的硅太阳能电 池的光电转换效率已达 16 实验室研究中的已 达到 24 在总体上 中国的太阳能利用 特别是太阳能 光电利用 还处于初级阶段 但中国 2 3 以上国土 的年 日 照 大 于 2200h 年 辐 射 总 量 平 均 大 于 5900MJ m2 资源非常丰富 中国太阳能光电池 产业发展迅速 生产能力从几年前的不足 10MW 增加到目前的 100MW 以上 预计 2020 年 太阳 能发电装机容量可达 200 104kW 3 5空气动力学与风能技术 中国古代就有大量利用风能的风车 初步探 明 中国可开发利用的地表风电资源 陆地约为 215 108kW 海上数亿 kW 如果扩展到 50 60m 以上高空 风力资源更多 如能开发其中的 2 3 就能提供约10 108kW 以上的电力 再加上约5 108kW 的水电 将能大幅度补充 2050 年所需电力 的缺额 风力发电是目前中国最具有大规模产业 化前景的可再生能源 2020 年装机容量有望超过 3000 104kW 10 目前 国家正在推进大型风电 设备的国产化 以大幅降低风电成本 提升产业竞 争力 降低风能成本 推进国产化 需要解一系列 物理和技术问题 例如 风能功率的能量转换过 程涉及风轮的空气动力学和气动弹性的稳定性的 研究 变速风力机的整体动力学的控制等物理学 问题 3 6燃烧学与生物质能 中国生物质能资源量很大 据初步估算 每 年可利用的生物质能资源总量为 5 亿 t 标准煤 中国是农业大国 农业废弃物资源量巨大 其中 秸秆年产量超过 8 亿 t 可作为能源的有 6 亿 t 折合 3 亿 t 标准煤 但利用中国农村分散的秸 秆也存在效费比的问题 11 近年来 中国生物 乙醇和生物柴油等产业不断发展 生物乙醇生 产已超过 100 104t 已在全国 5 个省大规模使 用 是有希望的液体燃料和石油替代燃料 生 44 第 3 期 周小珠 能源开发利用中物理学的贡献 物质还可固化成型作为高效燃料 在生物质能 的产业链条中 有一系列物理问题需要解决 如生物质燃烧过程中锅炉受热面的腐蚀性机理 和防治措施的研究 垃圾燃烧发电过程中对不 可燃物的处理及燃烧生成气体中的有害物在排 放之前的化学 物理处理等 4物理学与节能 爱因斯坦说过 人们所努力追求的庸俗的 目标 财产 虚荣 奢侈的生活 我总觉得都 是可鄙的 12 在全民族大力提倡科学的发展观 和节约型社会的消费观 文明观 这也正是物理学 家们倡导的理念 节能减排 是现代社会生活的 一种理念 对社会而言 大力倡导节能 可以控制 能源的总量 这是我国能源可持续发展的必然战 略选择 经济结构节能和管理节能是一个方面 技术节能的潜力也很大 中国有几大能耗大户 建筑能耗 照明能耗和交通能耗 其中 前两项就 占我国能耗总量的 52 以上 其中建筑耗能更是 我国能源消耗的大户 约占总量的 30 现有建 筑的绝大多数是高耗能建筑 许多物理方法有助 于建筑节能 通过改进建筑材料和结构设计 利用 太阳能发电 供暖 冷 就是很有实效的节能办 法 再如交通节能 汽车在中国的能源消耗中占 有相当的比例 且呈不断增长势头 必须限制汽车 总量 同时用先进的清洁 低耗能汽车取代高耗能 的大排气量汽车 为此 需要研究不同燃料的燃 烧学 发展减排降污技术 燃料电池技术 开展氢 能利用 摩擦学与磨损学等与物理学息息相关的 有关研究 三如照明节能 全球电力约 22 消耗 在照明上 故照明节能是节能的一个重要方面 以化合物半导体材料为发光元件的半导体固态发 光二极管 LED 是一种新型照明光源 正引发人 类照明史上的一次革命 这其中需要研究解决的 物理和技术问题主要有 提高半导体芯片的发光 效率 提高单管最大可发光通量 延长发光二极管 的使用寿命等 5结语 追溯能源利用演变的过程 可以很清楚的看 到 能源问题是世界各国十分关注的问题 我国全 面建设小康社会面临严峻的能源约束 能源的高 效开发和利用 有赖于物理学的理论研究 物理学 能为能量 energy 高效开发和利用 提供最强有 力的服务 何祚庥院士表示 物理学的发展从来 都是为能源问题开辟新道路 寻求新方向的 现 代各种能源的开发利用 提高能源利用的效率 有 效的进行节能减排 保护环境 都离不