第一章总论课件

材料学院：王桂明社会经济发展的动力、人类技术进步的主要因素之一就是找到了利用自然界能量的方法。,能源科学概论,任课老师：王桂明Email:guimingw电话公室：硅酸盐建筑材料国家重点实验室水泥混凝土试验楼5楼,大英百科全书说：“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；我国的能源百科全书说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见：能源是一种呈多种形式且可相互转换的能量的源泉。,科学史观：物质和能量是构成客观世界的基础。,能源定义,世界一次能源总供应中各类能源所占比例BP世界能源统计2006的数据表明，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。,我国与世界能源结构对比,我国与世界能源结构对比,我国一次能源总供应中各类能源所占比例,中国消费了全球煤炭的36.9%，中国的煤炭消费增长了10.9%，比2004年14.4%的消费增长率有所降低。在中国以外的其他地区，煤炭的增长平缓。国际能源机构预测，2020年中国石油需求将有60%依赖进口。,我国与世界能源结构对比,世界主要地区、组织与中国煤炭生产比例的对比,经济合作与发展组织简称经合组织(OECD)，是由30多个市场经济国家组成的政府间国际经济组织，旨在共同应对全球化带来的经济、社会和政府治理等方面的挑战，并把握全球化带来的机遇，总部设在巴黎，包括澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、芬兰、法国、德国、希腊、冰岛、意大利、日本、韩国、卢森堡、墨西哥、荷兰、新西兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英国、美国等国家。,我国与世界能源结构对比,世界主要地区、组织与中国石油生产比例的对比,我国与世界能源结构对比,世界主要地区、组织与中国天然气生产比例的对比,能源与材料科学的关系,材料产业是能源利用大户，约占工业总能耗的32%；材料科学的发展促进了能源的合理利用，如超导、储电材料。材料科学的发展可能催生能源结构甚至新能源的产生。能源材料是当前材料科学研究的热点。建立基本的节能环保意识。,第一章总论,人类利用能量的历史就是人类认识和征服自然的历史；劳动创造了世界，这种创造首先是从能量的使用开始。,人类利用能量的历史,分为五阶段：火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；原子能的发现及开发利用。,人类在能源利用史上的三次大转换第一次能源转换：柴薪煤炭第二次能源转换：煤炭石油第三次能源转换：多能源结构,13,能源问题是关系人类经济社会发展的重大问题,农业社会能源只是满足人们生活需要的一般要素,进入工业化时代能源是经济发展的重要基础煤炭替代可再生能源，成为主要能源,汽车工业时代在发达国家石油、天然气上升为主要能源,当前时代能源成为社会经济发展的重要制约因素能源稀缺性增强环境污染和气候变化加剧，新能源成为新的经济增长点,下一次能源革命！新能源成为主要能源？,1能量和能源,1、能量（1）能量的定义：物体由于其位置或状态而具有的作功的能力。能量是物质运动的度量，是物质的属性。高度：mgh；速度：1/2mu2；质量：mC2,（2）能的性质,状态性：是说明物质状态的物理量（内能、焓），又取决于物质所处的状态。E=f（p、T），E=f（p、V）可加性：一个体系所获得的总能量为输入这个体系各种能量之和。传递性：从能量密度高的地方（物质）传向能量密度低的地方（物质）。,转换性：不同形式的能量之间可以相互转换，能量在空间和时间上的转移，即能量的传输和储存。守恒性：能量在转移与转换过程中，总量保持不变。作功性：用能来作功是用能的基本手段，可用来衡量能的质量和品位贬值性：能量在转移和转换等过程中，总伴随着能量损失，表现为作功能力下降。,能量的传递包括转移与转换两种形式,转移是某种形态的能量从一地转移到另一地，从一物转移到另一物；转换则是能量由一种形态变为另一形态。能量传递的途径主要有两条：由物质交换和质量输运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。在体系边界面上的能量交换通常以两种方法进行：传热由温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形式；做功由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。,通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功，传热的三种基本方式是热传导、热对流和热辐射；做功（指机械功）的三种基本方式是容积功、转动轴功和流动功。能量传递的结果主要体现在两方面，即能量使用过程中所起的作用以及能量传递的最终去向;能量传递的最终去向通常只有两条：或转移到产品，或散失于环境。能量传递的实质实际上就是能量利用的实质。如果把产品的使用也包括在内，能量的最终去向只能是唯一的，即最终进入环境。,（3）能的单位,（4）能的六种形式,机械能热能电能辐射能化学能核能,(5)能源的转换,人类利用的各种形式的能量是由一次能源转换而来。广义上，能量的转换包含三种形式能量形态的转换：通常所说的能量转换能量的空间转换：能量的传输能量的时间转换：能量的储存,能的转换示意图,2能源分类与评价,1、能源:指能直接或经转换而获取某种能量的自然资源。提供某种形式能量的物质或物质运动。已开采出来可供给使用的自然资源和经过加工或转换的能量资源。尚未开采出来的能量资源只能称为资源为了便于运输和使用，资源可加工成更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、蒸汽、沼气、氢能等。,2、能源的分类,2020/6/9,一次能源,二次能源,再生能源,非再生能源,太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热,原煤、原油、天然气、油页岩、核能,电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭,风能,潮汐能,太阳能,直接利用太阳能,光合作用,空气、地表吸热,煤炭,食物中的化学能,空气变热形成风,水蒸气形成雨雪,能源结构：世界范围看，石油仍居主导地位，占能源消费总量的36.8，煤炭次之，占27.2，天然气发展较快，已占23.7，有三足鼎立之势。而水电与核能则相对势微，分别仅占6.2和6.1。,世界能源结构预测（资料来源，欧洲联合研究中心，2004年）,2、能源评价,为有效利用能源，必须对能源品质进行评价。能流密度：在一定空间或面积内，从某种能源实际所能得到的能量或功率。能源密度很小，不能作为主要能源资源量：不受当前开采技术、经济条件限制的数量。（硬煤埋藏2000m以内、褐煤1500m以内）,储量：与开采技术、经济条件密切相关的数量。作为能源的一个必要条件。地质储量：根据已掌握的资料，按能源储藏的形成与分布规律进行地质推算而得到的数量。探明储量：已做过不同程度的勘探，提出相应的地质勘探阶段报告所计算获得的数据。转换品位：某种能源能够转换作功的难易程度。,储能的可能性:可以储存,需要时能立即供给,供能连续性；能源的地理分布:地理分布不合理,开发运输基本建设等费用增加；开发费用和利用能源的设备费用；运输费用与损耗；能源的可再生性；对环境的影响。,能源利用影响因素：,各种能源的品质评价,3能源与人类文明一、能源更迭与社会发展,人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。(1)火的发现和利用；(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；(3)化石燃料的开发和热的利用；(4)电的发现及开发利用；(5)原子核能的发现及开发利用。,人类社会已经历的三个能源时期：,薪柴时期：主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。煤炭时期：18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展。19世纪，电力成为工矿企业的主要动力，成为生产和生活照明的主要来源。但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料。,石油时期,石油资源的发展，开始了能源利用新时代。近30年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。进入21世纪，清洁能源的时代将随之到来。,二、能源与经济发展,能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，是推动国民经济发展的强大动力。能源、材料和信息是近代社会发展的三大支柱。其中能源是最基本的物质基础。当今人们物质文化生活所消耗的一切物品，均体现了能源的最终消费。全部能耗=间接能耗+直接能耗,能源与经济发展相互促进、相互制约,能源发展包括能源的总量增长、品种增加、质量提高和新能源的开发。能源开发不仅为经济发展提供了充足的燃料和动力，而且对推动技术进步、促进新产业发展、提高生产效率、巩固国防等有重要的作用。煤炭的开发利用冶金工业发展、蒸汽机产业革命；石油的开发、电的应用电气化、机械化、自动化；核能、新能源既是新技术革命的内容、又推动新技术革命的发展。,能源的生产水平和消费水平是衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要指标。能源消费量的增长与国民生产总值的增长成正比。能源科技的重大发现和发明往往首先用于军事目的。F-15战斗机每分钟耗油908升，航空母舰每天耗油158.09万升。,经济发展给能源产品提供了市场需求，为能源发展提供了资金、技术设备和材料。能源工业是资金密集型产业，开采难度大，运输成本高，须提前投资，才能使能源供给满足经济发展需要；经济发展为能源开发提供巨额资金、先进技术和设备；经济发展为能源开采应用新技术（自动采煤、太阳能微波传输、提高石油采收率等）提高生产效率，才能开发新能源。,从世界能源消费的增长趋势看，能源消费与世界经济发展的趋势是一致的。实践证明，在经济正常发展的情况下，能源消耗总量和能源消耗增长速度与国民经济生产总值和国民经济生产总值增长率成正比例关系。世界经济和能源发展的历史显示，处于工业化初期的国家，经济的增长主要依靠能源密集型工业的发展，能源效率也较低，因此能源弹性系数多大于1。,三、能源与人民生活,从一个国家的能源消耗水平可看出一个国家人民的生活水平；生活最富裕的北美地区比贫穷的南亚地区的每年每人的平均能耗高出55倍；我国一次能源消费量居世界第二位，但由于人口过多，人均能耗水平仍很低。,4、能源与环境污染,能源开采、运输、转换、利用和消费都直接改变着地球的物质平衡和能量平衡，破坏生态系统，导致环境污染。环境污染已经成为能源科学体系中的一个专门学科。,1、热污染,热量排放到自然界中造成的污染：矿物燃料开发利用规模的扩大，热污染是否改变地球表面的热平衡使地表温度升高？为了使地表温度保持在一个可接受的水平，必须人为控制热量输入，对能量的使用不应该无限膨胀。能量转换过程中的热损失：低温热能环境,2、CO2问题温室效应,CO2吸收光带：2.642.94m；4.134.49m；13.017.0m。太阳的最大辐射在0.5m；地球辐射520m，最大辐射在10m左右；CO2含量上升，低层大气温度升高；目前CO2%=400ppm，上升速度为每年0.8ppm。CO2%增加25%，地表温度升高0.6。,3、硫化物问题,矿物燃料中含有一定量的硫，地热流体中含有数量可观的H2S。SO2和H2S都是有毒气体。SO2-SO3硫酸烟雾和亚硫酸烟雾呼吸系统、心血管系统疾病、污染植物。控制硫化物污染的有效办法是燃烧前将燃料脱硫或燃烧后将排烟脱硫，但费用很高。,伦敦烟雾事件,原因：1、冬季取暖燃煤和工业燃煤排放的烟雾（元凶）2、高压中心，几天无风,数据：伦敦上空大气中烟尘浓度比平时高10倍，SO2的浓度是以往的6倍,后果：4天时间，死亡人数达4000多人。2个月后，又有8000多人陆续丧生。,整个伦敦像一个大的毒气室一样！,1952年12月58日,大气污染（重点）,4、氮化物问题,浓度很低的NOx气体影响臭氧层的自然平衡。高层大气中的臭氧层是对外来宇宙辐射起反射作用的保护层，NOx气体对臭氧层起破坏作用。NOx气体会对环境构成危害。NOx气体受太阳照射而生成有毒气体。NOx气体浓度大于2.5ppm时，对植物有害；大于25ppm，感到胸痛；NOx气体能使SO2催化为硫酸。,酸雨,水体污染,5、放射性污染,核燃料的开采、运输、及废渣处理会使环境受到污染；核电站的运行历史表明，核电站对环境的污染比常规火电站小；烟囱排放物中含有放射性物质（主要是氡-222）由于滞留时间长，80km内附近居民受到的放射性计量比核电站高50%。,5能源问题的现状和前景,一、资源问题太阳能是人类永恒发展的能源保证；世界能源分布是不均衡的；能源资源分布的不均衡给世界的政治、经济割据带来重大的影响。现在一年的消费为19世纪中叶100年消费总和。石油才开采120年，可是积累了700万年才形成的这一优质资源已经所剩余无几。目前可燃矿物燃料仍是世界能源构成的主体。地球上非再生资源的储量和寿命是当前所要考虑的首要问题。,1994年,世界化石燃料探明可采储量,1996年世界前七位国家的煤炭储量,能源消费,当今世界的能源消费仍以石油为主。,煤炭开采与时间的关系,1-按每年3.56%增长；2-按7.6%109吨总储量估计；3-按4.31012吨总储量估计,1-按2100109桶总储量估计；2-按1350109吨桶储量估计,能源更迭示意图,在总能耗中的份额,年代,二、中国能源现状及面临挑战,1、有丰富而多样的能源资源水电资源世界第一。可开发的水利资源为378.53Gw；相当数量的天然铀储量；太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能等能源十分丰富；已经建成相