《能源与环境系统工程概论》第一章

1、能源与动力工程学院能源与动力工程学院李晓婕李晓婕 第一节第一节 能量能量 第二节第二节 能源的分类与评价能源的分类与评价 第三节第三节 能源与人类文明能源与人类文明 第四节第四节 能源资源生产与消费能源资源生产与消费 第五节第五节 能源与环境能源与环境 第六节第六节 能源的可持续发展能源的可持续发展 物质、能量和信息是构成客观世界的基础。物质、能量和信息是构成客观世界的基础。 科学史观认为，世界是由物质构成的，没科学史观认为，世界是由物质构成的，没有物质，世界便虚无飘渺；运动是物质存有物质，世界便虚无飘渺；运动是物质存在的方式，是物质固有的属性，能量则是在的方式，是物质固有的属性，能量则是物质

2、运动的度量。物质运动的度量。 能量：是用以衡量所有物质运动规模的统能量：是用以衡量所有物质运动规模的统一的客观尺度。一的客观尺度。 宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。相关。 所谓能量，也就是所谓能量，也就是“产生某种效果（变产生某种效果（变 化）的能力化）的能力”。反过来说，产生某种效。反过来说，产生某种效果（变化）的过程必然伴随能量的消耗果（变化）的过程必然伴随能量的消耗和转化。和转化。 能量在物理中的符号一般是能量在物理中的符号一般是E E，其国际单，其国际单位是焦耳位是焦耳J

3、J 。 机械能机械能 热热 能能 电电 能能 辐射能辐射能 化学能化学能 核核 能能 机械能是与物体宏观机械运动或空间状机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能。为势能。 机械能是动能与部分势能的总和，是表机械能是动能与部分势能的总和，是表示物体运动状态与高度的物理量。示物体运动状态与高度的物理量。 如果质量为如果质量为m的物体的运动速度为的物体的运动速度为v则该则该物体的动能物体的动能Ek可以用下式计算：可以用下式计算： 重力势能重力势能Ep可以用下式计算：可以用下式计算： 弹性势能弹性势能 的计算式为：的计算式为： 表面能

4、表面能 可用下式计算：可用下式计算： EsE STE dqUIE e 构成物质的微观构成物质的微观分子运动分子运动的动能和势能的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。通常热能程度。通常热能Eq可表述成如下的形式：可表述成如下的形式： 40r100TcE 电能是和电子流动与积累有关的一种能电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换

5、为机械之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。能，从而显示出电做功的本领。 辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。 物体的辐射能物体的辐射能Er可由下式计算：可由下式计算： 化学能是物质结构能的一种，即原子核化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。外进行化学变化时放出的能量。 按化学热力学定义，物质或物系在化学按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。化学能。 化学能的来源是在化学反应中由于原子化学能的来源是在化学反应中由于原子最外层电子运动状态的改

6、变和原子能级最外层电子运动状态的改变和原子能级发生变化的结果。发生变化的结果。 核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。 轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。这种结合能就是核能

7、。 秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座3030万千瓦压水堆核电站，地处浙江省海万千瓦压水堆核电站，地处浙江省海盐县。由中国核工业集团公司盐县。由中国核工业集团公司100%100%控股，秦山核电公司负责运行管理。控股，秦山核电公司负责运行管理。 状态性状态性 可加性可加性 传递性传递性 转换性转换性 做功性做功性 贬值性贬值性 能量在空间上的转移，即能量的传输。能量在空间上的转移，即能量的传输。 能量在时间上的转移，即能量的储存。能量在时间上的转移，即能量的储存。能量的转换能量的转换 能量传递是有条件的，即在有能量密度能量传递是有条件

8、的，即在有能量密度差的条件下，能量总是从能量密度大的差的条件下，能量总是从能量密度大的物质或能量集中的地方，向能量密度小物质或能量集中的地方，向能量密度小的物质或地方传递；总是从集中到分散的物质或地方传递；总是从集中到分散并逐步达到平衡。并逐步达到平衡。 能量传递遵循一定的规律，即能量传递能量传递遵循一定的规律，即能量传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的阻力。的阻力。 能量的传递包括转移与转换两种形式。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；转换则是一地，从一物转移到另

9、一物；转换则是能量由一种形态变为另一形态。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：由物质交能量传递的途径主要有两条：由物质交换和质量迁移而携带的能量称为携带能；换和质量迁移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称为交换能。 在体系边界面上的能量交换通常以两种方在体系边界面上的能量交换通常以两种方法进行：法进行： 传热传热由温差引起的能量交换，这是能由温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形式；量传递的微观形式； 做功做功由非温差引起的能量交换，这是由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。能量传递的宏观形式。 通过能量交换而实

10、现的能量传递，即传通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功，其具体方式为：传热的三种热和做功，其具体方式为：传热的三种基本方式是热传导、热对流和热辐射；基本方式是热传导、热对流和热辐射；做功（这里指机械功）的三种基本方式做功（这里指机械功）的三种基本方式是容积功、转动轴功和流动功（推动是容积功、转动轴功和流动功（推动功）。功）。 能量传递的结果主要体现在两方面，即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能量使用过程中所起的作用以及能量传递的最终去向。递的最终去向。 能量传递的最终去向通常只有两条：或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，包括直

11、接转移到产品，或散失于环境，包括直接损失和用于过程后再进入环境这两种情损失和用于过程后再进入环境这两种情况。况。 能量传递的实质实际上就是能量利用的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，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，即最终能量的最终去向只能是唯一的，即最终进入环境。进入环境。 所谓能源，是指能够直接或经过转换而所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。获取某种能量的自然资源。 自然资源包括煤、石油、天然气、太阳自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。能、风能、水能、地热能、核能等。 为了便于

12、运输和使用，上述资源经加工为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。能等。 由于可被人类利用的能源多种多样，因由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下七种不同的分类方法：此有以下七种不同的分类方法：（1）按地球上的能量来源分；）按地球上的能量来源分；（2）按被利用的程度分；）按被利用的程度分；（3）按获得的方法分；）按获得的方法分；（4）按能否再生分；）按能否再生分；（5）按能源本身的性质分；）按能源本身的性质分；（6）按是否作为燃料分；）按是否作为燃料分

13、；（7）按对环境的污染情况分。）按对环境的污染情况分。 来自于地球本身，如核能、地热能等；来自于地球本身，如核能、地热能等； 来自于地球外天体，如宇宙射线及来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳太阳能能，以及由太阳能引起的水能、风能、，以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；作用等； 来自于地球和其他星体的相互作用，如来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。潮汐能。，如煤炭、石油、天然气、水，如煤炭、石油、天然气、水能和核裂变能等；能和核裂变能等；，如太阳能、风能、地热能、潮，如太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能及核聚变能等。

14、汐能、生物质能及核聚变能等。，即可供直接利用的能源，如，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；煤、石油、天然气、风能、水能等；，即由一次能源直接或间接转，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电能、蒸汽、焦炭、换而来的能源，如电能、蒸汽、焦炭、煤气、氢能等，它们使用方便，是高品煤气、氢能等，它们使用方便，是高品质的能源。质的能源。，即不会随其本身的转化或，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，具有自人类的利用而越来越少的能源，具有自然的恢复能力，如水能、风能、潮汐能、然的恢复能力，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；太阳能等；，它随人类的利用而越来越，它随人类的利用

15、而越来越少，是经过亿万年形成而在短期内无法少，是经过亿万年形成而在短期内无法恢复再生的，如石油、煤、天然气、核恢复再生的，如石油、煤、天然气、核燃料等。燃料等。（燃料能源），如石油、煤、（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；存；（非燃料能源），如风能、（非燃料能源），如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等，它们无法雷电、电磁能和一般热能等，它们无法直接储存。直接储存。，即对环境无污染或污染很小，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；的能源，如太阳能、水能

16、、海洋能等； 狭义的清洁能源仅指可再生能源狭义的清洁能源仅指可再生能源未未来能源结构的基础。来能源结构的基础。，即对环境污染较大的能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。如煤、石油等。 能源多种多样，各有优缺点，为了正能源多种多样，各有优缺点，为了正 确选择和使用能源，必须对各种能源确选择和使用能源，必须对各种能源 进行正确的评价。进行正确的评价。 储量储量 能量密度能量密度 储能的可能性与供能的连续性储能的可能性与供能的连续性 能源的地理分布能源的地理分布 开发费用和利用能源的设备费用开发费用和利用能源的设备费用 运输费用与损耗运输费用与损耗 能源的可再生性能源的可再生性 能源的品位能源

17、的品位 对环境的影响对环境的影响 人类利用能源的历史，也就是人类认识和人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。征服自然的历史。 (1)火的发现和利用；火的发现和利用； (2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；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；化石燃料的开发和热的利用； (4)电的发现及开发利用；电的发现及开发利用； (5)原子核能的发现及开发利用。原子核能的发现及开发利用。人类社会已经经历了三个能源时期：人类社会已经经历了三个能源时期： 薪柴时期；薪柴时期； 煤炭时期；煤炭时期； 石油时期。石油时期。 主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的主要以薪柴等

18、生物质燃料为主要能源的 时代，生产和生活水平极低，社会发展时代，生产和生活水平极低，社会发展 缓慢。缓慢。 火的发现是人类历史上自觉地利用能源火的发现是人类历史上自觉地利用能源的开端。的开端。 18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能源，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，工业迅速蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很快。发展，劳动生产力增长很快。 19世纪，电力成为工矿企业的主要动力，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时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料

19、。燃料。 石油是一种热值高、灰分少、使用方便、石油是一种热值高、灰分少、使用方便、易于运输的优质化石能源。易于运输的优质化石能源。 石油资源的发展，开始了能源利用的新石油资源的发展，开始了能源利用的新时期。近时期。近30年来，世界上许多国家依靠年来，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石油和天然气，创造了人类历史上空前的物质文明。的物质文明。 进入进入21世纪，核能将成为世界能源的主世纪，核能将成为世界能源的主角，清洁能源的时代也将随之到来。角，清洁能源的时代也将随之到来。 能源是发展社会生产和提高人民生活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，是推动国民经水平的

20、重要物质基础，是推动国民经 济发展的强大动力。济发展的强大动力。 经济的增长和经济发展水平的提高都需经济的增长和经济发展水平的提高都需要能源来支撑，因此，能源消费与经济要能源来支撑，因此，能源消费与经济发展有着密不可分的关系。从世界能源发展有着密不可分的关系。从世界能源消费的增长趋势看，能源消费与世界经消费的增长趋势看，能源消费与世界经济发展的趋势是一致的。济发展的趋势是一致的。 世界各国经济发展的实践证明，在经济世界各国经济发展的实践证明，在经济正常发展的情况下，能源消耗总量和能正常发展的情况下，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源消耗增长速度与国民经济生产总值和国民经济生产

21、总值增长率成正比例关系。国民经济生产总值增长率成正比例关系。 从某种意义讲，能源消费弹性系数越大，从某种意义讲，能源消费弹性系数越大，意味着经济增长利用能源的效率越低，意味着经济增长利用能源的效率越低，反之越高。反之越高。 世界经济和能源发展的历史显示，处于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，能源效率也靠能源密集型工业的发展，能源效率也较低，因此能源消费弹性系数多大于较低，因此能源消费弹性系数多大于1。 能源是人类存在和发展的重要物质条件，能源是人类存在和发展的重要物质条件，与人民生活经济发展息息相关。与

22、人民生活经济发展息息相关。 人们的日常生活处处离不开能源，不仅人们的日常生活处处离不开能源，不仅衣、食、住、行，而且文化娱乐、医疗衣、食、住、行，而且文化娱乐、医疗卫生等都与能源密切相关。卫生等都与能源密切相关。 新中国成立新中国成立60年来，我国能源发展取得年来，我国能源发展取得举世瞩目的成就，形成了煤炭为主体、举世瞩目的成就，形成了煤炭为主体、电力为中心、石油天然气和可再生能源电力为中心、石油天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局。全面发展的能源供应格局。 在能源需求总量巨大、而能源资源保有量在能源需求总量巨大、而能源资源保有量并不十分充足的基础上，能源总自给率始并不十分充足的基础上，能

23、源总自给率始终保持在终保持在90%以上。以上。 目前我国一次能源消费量已超过俄罗斯，目前我国一次能源消费量已超过俄罗斯，居世界第二位，但由于人口过多，人均能居世界第二位，但由于人口过多，人均能耗水平仍很低，全面建设小康社会仍然是耗水平仍很低，全面建设小康社会仍然是我国人民面临的重要任务。我国人民面临的重要任务。 19941994年年1973年和年和2002年世界硬煤产量的地区分布图年世界硬煤产量的地区分布图1973年和年和2002年世界石油产量的地区分布图年世界石油产量的地区分布图1973年和年和2002年世界天然气产量的地区分布图年世界天然气产量的地区分布图1971年和年和2001年世界一次

24、能源供应量的地区分布图年世界一次能源供应量的地区分布图 当今世界的能源消费当今世界的能源消费仍以石油为主。仍以石油为主。1973年和年和2001年世界能源终端总消费量的构成年世界能源终端总消费量的构成1973年和年和2001年世界煤炭消费的行业构成年世界煤炭消费的行业构成1973年和年和2001年世界石油消费的行业构成年世界石油消费的行业构成1973年和年和2001年世界天然气消费的行业构成年世界天然气消费的行业构成 能源资源总量比较丰富。能源资源总量比较丰富。 人均能源资源拥有量较低。人均能源资源拥有量较低。 能源资源赋存分布不均衡。能源资源赋存分布不均衡。 能源资源开发难度较大。能源资源开

25、发难度较大。 供给能力明显提高。供给能力明显提高。 能源节约效果显著。能源节约效果显著。 消费结构有所优化。消费结构有所优化。 科技水平迅速提高。科技水平迅速提高。 环境保护取得进展。环境保护取得进展。 市场环境逐步完善。市场环境逐步完善。 资源约束突出，能源效率偏低。资源约束突出，能源效率偏低。 能源消费以煤为主，环境压力加大。能源消费以煤为主，环境压力加大。 市场体系不完善，应急能力有待加强。市场体系不完善，应急能力有待加强。 从从20062006年至年至20302030年世界一次能源需求从年世界一次能源需求从117.3117.3亿吨油当量增亿吨油当量增长到了长到了170.1170.1多亿

26、吨油当量，增长了多亿吨油当量，增长了4545，平均每年增长，平均每年增长1.61.6。 由于中国和印度的经济持续强劲增长，在由于中国和印度的经济持续强劲增长，在20062006年至年至20302030年年期间，其一次能源需求的增长将占世界一次能源总需求增期间，其一次能源需求的增长将占世界一次能源总需求增长量的一半以上。长量的一半以上。 非经合组织非经合组织(Non-OECD)(Non-OECD)国家占总增长量的国家占总增长量的8787。 全球石油需求（生物燃料除外）平均每年上升全球石油需求（生物燃料除外）平均每年上升1 1 ，从，从20072007年年85008500万桶万桶/ /日增加到日增

27、加到20302030年年1.061.06亿桶亿桶/ /日。日。 全球天然气需求的增长更加迅速，以全球天然气需求的增长更加迅速，以1.81.8的速度递增，在的速度递增，在能源需求总额中所占比例微略上升至能源需求总额中所占比例微略上升至2222 。 世界煤炭需求量平均每年增长世界煤炭需求量平均每年增长2 2，其在全球能源需求量中，其在全球能源需求量中的份额从的份额从20062006年的年的2626攀升至攀升至20302030年的年的2929。 现代可再生能源技术发展极为迅速，将于现代可再生能源技术发展极为迅速，将于20102010年后不久超年后不久超过天然气，成为仅次于煤炭的第二大电力燃料。过天然

28、气，成为仅次于煤炭的第二大电力燃料。 联合国最新公布的研究结果显示，在过联合国最新公布的研究结果显示，在过去去30年中，虽然国际社会在环保领域取年中，虽然国际社会在环保领域取得了一定成绩，但全球整体环境状况持得了一定成绩，但全球整体环境状况持续恶化。国际社会普遍认为，续恶化。国际社会普遍认为，贫困和过贫困和过度消费导致人类无节制地开发和破坏自度消费导致人类无节制地开发和破坏自然资源然资源，这是造成环境恶化的罪魁祸首。，这是造成环境恶化的罪魁祸首。 世界经济发展和人类赖以生存的环境是世界经济发展和人类赖以生存的环境是不协调的，经济发展和人口增长给环境不协调的，经济发展和人口增长给环境造成了巨大的

29、压力，对发展中国家这种造成了巨大的压力，对发展中国家这种情况尤为突出。情况尤为突出。 全球环境恶化主要表现在大气和江海污全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、大面积土地退化、森林面积急染加剧、大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受到威胁等多氧空洞扩大、生物多样性受到威胁等多方面，同时温室气体的过量排放导致全方面，同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和球气候变暖，使自然灾害发生的频率和强度大幅增加。强度大幅增加。 1999年发现年发现的臭氧空洞是的臭氧空洞是有史以来观测有史以来观测到的最大

30、一次，到的最大一次，达到达到2600万万km2的面积的面积。 海平面上升与陆地淹没；海平面上升与陆地淹没； 冰川消退；冰川消退； 气候带的移动；气候带的移动； 飓风的加剧飓风的加剧 ； 植被的迁徙与物种灭绝植被的迁徙与物种灭绝 ； 洋流的变化与厄尔尼诺现象；洋流的变化与厄尔尼诺现象； 荒漠化荒漠化 。CO2浓度浓度/106温度偏差温度偏差/C年份年份地球表面温度的历史变迁地球表面温度的历史变迁资料来源：资料来源：The Carbon Dioxide information Analysis Center. Oak Ridge National Laboratory. 1995CO2浓度浓度平均

31、温度偏差平均温度偏差 20世纪世纪80年代中期，在南极上空发现了年代中期，在南极上空发现了，它与地球变暖及所谓的，它与地球变暖及所谓的和和问题构成全球性的大气问题构成全球性的大气环境问题，明显地危及全人类的生存和环境问题，明显地危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注，使繁衍，引起了国际社会的高度关注，使当今的世界环境问题具有明显的时代特当今的世界环境问题具有明显的时代特征。征。中国每排放一吨二氧化硫造成的经济损中国每排放一吨二氧化硫造成的经济损失约失约2 2万元，这就意味着每年我国因二氧万元，这就意味着每年我国因二氧化硫排放造成经济损失达化硫排放造成经济损失达50005000亿元左右

32、。亿元左右。 !占全国排放比例占全国排放比例：燃煤污染物燃煤污染物SO2 : 85% CO2 : 85%NOx：60% 粉尘粉尘: 70%城市 城市东 京 东 京 横 滨 横 滨 川 崎 川 崎 四 日 四 日 北 京 北 京 上 海 上 海 重 庆 重 庆 贵 阳 贵 阳年 日 年 日均 值 均 值0.172 0.172 0.129 0.129 0.219 0.219 0.232 0.232 0.115 0.115 0.12 0.12 0.36 0.36 0.435 0.435测 定 测 定时 间 时 间日 本 日 本中 国 中 国1967年1967年1988年1988年年份年份 大气能使太

33、阳短波辐射到达地面，但地大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。名温室效应。最近几十年来，地球日益变暖。最近几十年来，地球日益变暖。 地球为什么会变暖？地球为什么会变暖？ 是由于人类大量使用能源而是由于人类大量使用能源而 放出的热量使地球变暖的吗？放出的热量使地球变暖的吗？ 人类一年使用的全部能源为人类一年使用的全部能源为80亿亿t 石油，石油，相当于相当于33 1016 kJ的热量

34、。的热量。 如果把这些热量全部用于加热海洋，仅如果把这些热量全部用于加热海洋，仅仅可以使海水温度上升仅可以使海水温度上升，即加热，即加热1万年万年，海水温度也只上升到，海水温度也只上升到1。 人类使用能源一天所放出的热量人类使用能源一天所放出的热量 0.1 1016kJ； 地球一天从太阳获得的热量地球一天从太阳获得的热量 1500 1016kJ。 CO2这类气体能让太阳的短波辐射自由这类气体能让太阳的短波辐射自由地通过，同时却吸收地面发出的长波辐地通过，同时却吸收地面发出的长波辐射。射。 大部分太阳短波辐射可以通过大气层达大部分太阳短波辐射可以通过大气层达到地面，使地球表面温度升高；到地面，使

35、地球表面温度升高； 由于由于CO2等气体强烈地吸收地面的长波等气体强烈地吸收地面的长波辐射，使散失到宇宙空间的热量减少，辐射，使散失到宇宙空间的热量减少，于是地面吸收的热量多，散失的热量少，于是地面吸收的热量多，散失的热量少，导致地球温度升高。导致地球温度升高。 CO2不吸收短波，只吸收长波，于是，地不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地球变暖。使地表温度升高，地球变暖。 像像CO2这类会使地球变暖的气体就称为温这类会使地球变暖的气体就称为温室气体，温室气体还包括水蒸气、室气体，温室气体还包括水蒸气、SO2、N

36、2O、甲烷、氟利昂等。、甲烷、氟利昂等。 由于人类由于人类使用化石使用化石燃料，其排放出的燃料，其排放出的等温室气体对辐射的选等温室气体对辐射的选择择 性和吸收特性是地球性和吸收特性是地球变暖的主要原因。变暖的主要原因。/10-6/C年份年份年份年份Parts per million/10-6Temp. anomary/C 地球表面变暖，在远离赤道的地方变化最显著。地球表面变暖，在远离赤道的地方变化最显著。 虽然某些地区由于蒸发迅速和风型改变会变得虽然某些地区由于蒸发迅速和风型改变会变得更干燥，但全球降雨量增加。更干燥，但全球降雨量增加。 沿海岸的亚热带出现更潮湿的季风。沿海岸的亚热带出现更潮

37、湿的季风。 在高海拔和高纬度地区更频繁地出现更大的风在高海拔和高纬度地区更频繁地出现更大的风雪。雪。 在内地，大陆中部地区出现较早的雪融和潮湿在内地，大陆中部地区出现较早的雪融和潮湿的春季，夏季漫长且来得早，干旱更加频繁。的春季，夏季漫长且来得早，干旱更加频繁。 在高纬度地区，农业条件会更好些。在高纬度地区，农业条件会更好些。 由于海水的边界向北移动，因此海洋冰量减少。由于海水的边界向北移动，因此海洋冰量减少。 沿海海平面每世纪上升几英尺。沿海海平面每世纪上升几英尺。 飓风更频繁、更强大，并向高纬度地区扩展。飓风更频繁、更强大，并向高纬度地区扩展。 森林火灾更频繁、更严重。森林火灾更频繁、更严

38、重。 大量物种迅速灭绝。大量物种迅速灭绝。 由于气候的原因，人口死亡率增加。由于气候的原因，人口死亡率增加。Sea level rise/mYear 第一个层次是从能源利用的角度：第一个层次是从能源利用的角度：（1）提高能源的利用率和转化效率，减少）提高能源的利用率和转化效率，减少化石燃料的消耗量化石燃料的消耗量;（2）调整产业结构，大力推广节能新技术；）调整产业结构，大力推广节能新技术；（3）开发不产生）开发不产生CO2的新能源，如核能、的新能源，如核能、太阳能、地热能、海洋能；太阳能、地热能、海洋能；（4）推广植树绿化，限制森林砍伐，制止）推广植树绿化，限制森林砍伐，制止对热带森林的破坏；

39、对热带森林的破坏；（5）减慢世界人口增长速度，在农村发展）减慢世界人口增长速度，在农村发展“能源农场能源农场”，一方面利用种植薪柴树，一方面利用种植薪柴树木通过光合作用固定木通过光合作用固定CO2，另一方面燃，另一方面燃烧薪柴比燃用化石燃料产生的烧薪柴比燃用化石燃料产生的CO2要少要少得多；得多；（6）燃料替代，采用天然气等低含碳燃料，）燃料替代，采用天然气等低含碳燃料，大力发展氢能，从源头上减少大力发展氢能，从源头上减少CO2的排的排放。放。 第二个层次，即从各个行业的化石燃料第二个层次，即从各个行业的化石燃料利用角度：利用角度：（1）燃煤电站中）燃煤电站中CO2的分离回收技术的分离回收技术

40、 燃料燃烧前分离并捕集燃料燃烧前分离并捕集CO2 。 从常规燃烧烟气中分离和捕集从常规燃烧烟气中分离和捕集CO2 。 采用采用O2/CO2燃烧方式直接从烟气中捕集燃烧方式直接从烟气中捕集CO2 。（2）CO2的储存、填埋和利用技术的储存、填埋和利用技术 CO2的储存的储存 CO2吸收固化吸收固化 CO2的利用的利用利用已经开采至尽的天然气气田储存。利用已经开采至尽的天然气气田储存。将将CO2注入低产油井并以提高油井产量。注入低产油井并以提高油井产量。将将CO2注入煤层气田中能够永久地固化。注入煤层气田中能够永久地固化。 简单地说，酸雨就是酸性的雨。简单地说，酸雨就是酸性的雨。 一般将一般将pH

41、小于小于5.65的雨叫的雨叫。 造成雨水酸化之污染物很多，其污染来造成雨水酸化之污染物很多，其污染来源大致可分为两类：源大致可分为两类： 一类为自然物质，一类为自然物质，另一类为人为物质。前者如火山爆发喷另一类为人为物质。前者如火山爆发喷出的大量硫化物及悬浮固体物，自然水出的大量硫化物及悬浮固体物，自然水域表面释放的硫化氢，动植物分解产生域表面释放的硫化氢，动植物分解产生的有机酸，土壤微生物及海藻释放的硫的有机酸，土壤微生物及海藻释放的硫化氢、二甲基硫及氮化物等，都会使雨化氢、二甲基硫及氮化物等，都会使雨水的水的pH降至降至5.0左右。左右。 后者则为工业化后，燃料的大量使用，后者则为工业化后

42、，燃料的大量使用，燃烧过程中产生燃烧过程中产生CO2、 HCl、SO2、NOx及悬浮固体物，排放至大气环境中，经及悬浮固体物，排放至大气环境中，经光化学反应和化学反应生成硫酸、硝酸光化学反应和化学反应生成硫酸、硝酸等酸性物质使得雨水的等酸性物质使得雨水的pH降低，形成酸降低，形成酸雨。雨。 高硫煤和石油燃烧产生的高硫煤和石油燃烧产生的SO2和和NOx是造是造成酸雨的主要祸首。成酸雨的主要祸首。NoImageNoImageNoImageNoImageNoImage湿沉降湿沉降干沉降干沉降自然来源自然来源人人 为为 来来 源源酸化污染物酸化污染物导致森林成片死亡，因为酸雨会损坏植物叶导致森林成片死

43、亡，因为酸雨会损坏植物叶面和根部。面和根部。使湖泊酸化，湖中鱼虾绝迹。使湖泊酸化，湖中鱼虾绝迹。破坏农田的土壤成分，使农作物减产甚至死破坏农田的土壤成分，使农作物减产甚至死亡。亡。造成地下水酸化，引起对人体的危害。造成地下水酸化，引起对人体的危害。腐蚀建筑物和工业设备，造成重大的经济损腐蚀建筑物和工业设备，造成重大的经济损失。失。对露天文物起腐蚀作用，加速文物资源的破对露天文物起腐蚀作用，加速文物资源的破坏甚至毁灭。坏甚至毁灭。 酸雨因酸雨因pH太低，造成泥土及岩石中的有太低，造成泥土及岩石中的有毒金属元素溶解，流入地下水及河流中，毒金属元素溶解，流入地下水及河流中，使水中动物如鱼类等大量死亡

44、。水生植物使水中动物如鱼类等大量死亡。水生植物和以河水灌溉的农作物，因累积有毒金属，和以河水灌溉的农作物，因累积有毒金属，将经由食物链进入人体，影响人类的健康，将经由食物链进入人体，影响人类的健康，这就是累积作用（这就是累积作用（concentration effect）。）。 在欧洲和北美洲，酸雨所引起的湖泊酸在欧洲和北美洲，酸雨所引起的湖泊酸化情形十分严重。瑞典化情形十分严重。瑞典85000个湖泊，其个湖泊，其中约中约20000个已受到酸雨的影响。挪威有个已受到酸雨的影响。挪威有265个湖泊已经没有鱼虾；而加拿大已有个湖泊已经没有鱼虾；而加拿大已有400个个“死湖死湖”，以前有鲑鱼的河川，

45、现，以前有鲑鱼的河川，现在都看不到鲑鱼的踪影了。在都看不到鲑鱼的踪影了。 pH影响影响65.55.04.0食物的基本种类相继死去，例如，鱼类食物的基本种类相继死去，例如，鱼类的重要食物来源无法在此酸碱值下生存。的重要食物来源无法在此酸碱值下生存。鱼类不能繁殖。鱼类不能繁殖。幼鱼很难存活。幼鱼很难存活。因为缺少营养造成很多畸形的成鱼。因为缺少营养造成很多畸形的成鱼。鱼类因窒息而死。鱼类因窒息而死。鱼群会相继死去鱼群会相继死去假如有生物存活，将与之前的生物种类假如有生物存活，将与之前的生物种类不相同。不相同。 酸雨会影响农作物的叶片，酸可以溶解酸雨会影响农作物的叶片，酸可以溶解叶表皮上的腊质，使植

46、物的水分更易流叶表皮上的腊质，使植物的水分更易流失；同时土壤中的金属矿物因被酸雨溶失；同时土壤中的金属矿物因被酸雨溶解，造成矿物质流失，植物无法获得足解，造成矿物质流失，植物无法获得足够的养分。够的养分。 左图为叶子受酸雨危害的情形；右图为显微镜观察到的叶子內部的组织 酸雨腐蚀建筑物、公共设施、古迹和金酸雨腐蚀建筑物、公共设施、古迹和金属物质，造成人类经济、财物及文化遗属物质，造成人类经济、财物及文化遗产的损失。酸雨对希腊神殿，罗马遗迹产的损失。酸雨对希腊神殿，罗马遗迹和西德大教堂等历史性建筑遗迹也有很和西德大教堂等历史性建筑遗迹也有很大影响。大影响。 酸雨对人体也有不良的影响。如可引起酸雨对

47、人体也有不良的影响。如可引起眼睛和皮肤疼痛，甚至脱发。眼睛和皮肤疼痛，甚至脱发。 酸雨污染对人类最严重的酸雨污染对人类最严重的 影响就是导致呼吸方面影响就是导致呼吸方面 问题。二氧化硫和二氧问题。二氧化硫和二氧 化氮会引起呼吸系统的化氮会引起呼吸系统的 疾患，如哮喘、干咳、疾患，如哮喘、干咳、 鼻子和咽喉过敏等。鼻子和咽喉过敏等。 制订酸雨和制订酸雨和SO2污染控制区综合防治规划。污染控制区综合防治规划。 限制高硫煤限制高硫煤洗煤、型煤。洗煤、型煤。 调整能源结构，削减调整能源结构，削减SO2排放总量。排放总量。 做好做好SO2排污收费工作，运用经济手段促排污收费工作，运用经济手段促进治理。进

48、治理。 强化控制区环境监督管理。强化控制区环境监督管理。 19851985年，英国科学家观测到南极上空出年，英国科学家观测到南极上空出现臭氧层空洞，并证实其同氟利昂分解现臭氧层空洞，并证实其同氟利昂分解产生的氯原子有直接关系。这一消息震产生的氯原子有直接关系。这一消息震惊了全世界。惊了全世界。 19941994年，南极上空的臭氧层破坏面积已年，南极上空的臭氧层破坏面积已达达24002400万平方公里，北半球上空的臭氧万平方公里，北半球上空的臭氧层比以往任何时候都薄，欧洲和北美上层比以往任何时候都薄，欧洲和北美上空的臭氧层平均减少了空的臭氧层平均减少了10101515，西，西伯利亚上空甚至减少了

49、伯利亚上空甚至减少了3535。 氯氟烃释放到大气中，再上升到高空时，氯氟烃释放到大气中，再上升到高空时，会分解出氯原子。自由的氯原子遇上臭会分解出氯原子。自由的氯原子遇上臭氧分子后，会夺走臭氧分子氧分子后，会夺走臭氧分子O3中的一个中的一个氧原子，使之变成为普通的氧分子氧原子，使之变成为普通的氧分子O2。每一个氯原子可以把上万个臭氧分子变每一个氯原子可以把上万个臭氧分子变成普通氧分子。实验数据显示，平均每成普通氧分子。实验数据显示，平均每一个氯原子可以消灭一个氯原子可以消灭1万个臭氧分子，其万个臭氧分子，其威力惊人。威力惊人。 其结果是高空中由臭氧分子组成的臭氧其结果是高空中由臭氧分子组成的臭

50、氧层就被大大损耗，导致了臭氧层变薄，层就被大大损耗，导致了臭氧层变薄，甚至出现臭氧空洞。甚至出现臭氧空洞。 根据调查显示，自根据调查显示，自 1978年开始的年开始的10年内，年内，全球各纬度平流层的全球各纬度平流层的 臭氧含量降低约臭氧含量降低约 1.2%至至10%不等，南极上空则是臭氧被不等，南极上空则是臭氧被破坏最严重的区域，甚至在春季期间更破坏最严重的区域，甚至在春季期间更会出现所谓的会出现所谓的“臭氧空洞臭氧空洞”。 南极上空的臭氧层是在南极上空的臭氧层是在20亿年的漫长岁亿年的漫长岁月中形成的，可是仅在一个世纪里就被月中形成的，可是仅在一个世纪里就被破坏了破坏了60。 目前全球臭氧

51、层削减率正以每年目前全球臭氧层削减率正以每年2%至至3%的速度在进行，如果任其发展，在的速度在进行，如果任其发展，在21世纪末，平流层臭氧含量将降至目前的世纪末，平流层臭氧含量将降至目前的一半以上，届时，人类将会面临一场空一半以上，届时，人类将会面临一场空前的浩劫前的浩劫 ! 历年的南极臭氧 地球上的生物能在陆地上生活，是因为地球上的生物能在陆地上生活，是因为集中在平流层中的臭氧对于阳光中的紫集中在平流层中的臭氧对于阳光中的紫外线具有隔除的作用，如果没有臭氧层，外线具有隔除的作用，如果没有臭氧层，进入大气层的紫外线就很容易被细胞核进入大气层的紫外线就很容易被细胞核吸收，破坏生物的遗传物质吸收，

52、破坏生物的遗传物质DNA ，陆地，陆地上的生物便无法存在了。而这个臭氧层上的生物便无法存在了。而这个臭氧层目前正受到人类持续不断的破坏。目前正受到人类持续不断的破坏。 据科学研究，臭氧减少据科学研究，臭氧减少10%，紫外线可，紫外线可能增加能增加20%，皮肤癌患者可能增加，皮肤癌患者可能增加30%，此外还会产生下列几种现象此外还会产生下列几种现象:(1)白内障罹患率增加；白内障罹患率增加；(2)免疫系统受到抑制；免疫系统受到抑制；(3) 谷物的收成减少，品质降低，植物和谷物的收成减少，品质降低，植物和 浮游生物减少，破坏自然界的生物链；浮游生物减少，破坏自然界的生物链；（4）塑料、橡胶制品加速

53、老化；）塑料、橡胶制品加速老化；（5）紫外线直射会引起对流层臭氧的增）紫外线直射会引起对流层臭氧的增 加，致使产生加，致使产生光化学烟雾光化学烟雾，造成空，造成空 气污染。气污染。 目前，最早使用目前，最早使用CFC的的24个发达国家已个发达国家已于于1985年和年和1987年分别签署了限制使用年分别签署了限制使用CFC的的维也纳公约维也纳公约和和蒙特利尔议蒙特利尔议定书定书。1993年年2月，中国政府批准了月，中国政府批准了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案，确定在确定在2010年完全淘汰消耗臭氧层物质。年完全淘汰消耗臭氧层物质。 人类尚未找到对已被破坏的臭氧层进行

54、人类尚未找到对已被破坏的臭氧层进行补救的措施，但全世界正努力限制和停补救的措施，但全世界正努力限制和停止对消耗臭氧层物质的生产和使用。另止对消耗臭氧层物质的生产和使用。另一方面，人类正努力开发无害的制冷剂、一方面，人类正努力开发无害的制冷剂、发泡剂等。任何关心保护臭氧层的普通发泡剂等。任何关心保护臭氧层的普通人都可以通过选择对臭氧层无害的消费人都可以通过选择对臭氧层无害的消费品，来参与保护臭氧层行动。品，来参与保护臭氧层行动。 热污染是指日益现代化的工农业生产和热污染是指日益现代化的工农业生产和人类生活中排放的各种废热所造成的环人类生活中排放的各种废热所造成的环境污染。境污染。 热污染会导致全

55、球气候的变化，给全球热污染会导致全球气候的变化，给全球生态带来不可预期的影响。生态带来不可预期的影响。 火力发电厂、核电站火力发电厂、核电站和钢铁厂的冷却系和钢铁厂的冷却系统排出的热水以及石油、化工、造纸等统排出的热水以及石油、化工、造纸等工厂排出的生产性废水中均含有大量废工厂排出的生产性废水中均含有大量废热。热。 热污染首当其冲的受害者是水生生物。热污染首当其冲的受害者是水生生物。由于水温升高，使水中溶解氧减少，水由于水温升高，使水中溶解氧减少，水体处于缺氧状态，同时又使水生生物代体处于缺氧状态，同时又使水生生物代谢率增高而需要更多的氧，造成一些水谢率增高而需要更多的氧，造成一些水生生物在热

56、效力作用下发育受阻或死亡，生生物在热效力作用下发育受阻或死亡，从而影响环境和生态平衡。从而影响环境和生态平衡。 水温升高使水中藻类大量繁殖，堵塞航水温升高使水中藻类大量繁殖，堵塞航道，破坏自然水域的生态平衡。道，破坏自然水域的生态平衡。 河水水温上升给一些致病微生物造成一河水水温上升给一些致病微生物造成一个人工温床，使它们得以滋生、泛滥，个人工温床，使它们得以滋生、泛滥，引起疾病流行，危害人类健康。引起疾病流行，危害人类健康。 城市气温过高会诱发冠心病、高血压、城市气温过高会诱发冠心病、高血压、中风等，直接损害人体健康。中风等，直接损害人体健康。 随着人口和耗能量的增长，城市排入大随着人口和耗

57、能量的增长，城市排入大气的热量日益增多。气的热量日益增多。 使地面反射太阳热能的反射率增高，吸使地面反射太阳热能的反射率增高，吸收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造成局部地区干旱，影响农作物生长，使成局部地区干旱，影响农作物生长，使土壤沙化。土壤沙化。 近一个世纪以来，地球大气中的二氧化近一个世纪以来，地球大气中的二氧化碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎热的使海水水位上升，一些原本十分炎热的城市，变得更热。城市，变得更热。 专家

58、们预测，如按现在的能源消耗的速专家们预测，如按现在的能源消耗的速度计算，每度计算，每10年全球温度会升高年全球温度会升高0.10.26；一个世纪后即为；一个世纪后即为1.02.6，而两极温度将上升而两极温度将上升37，对全球气，对全球气候会有重大影响。候会有重大影响。 造成热污染最根本的原因是能源未能被造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。最有效、最合理地利用。 随着现代工业的发展和人口的不断增长，随着现代工业的发展和人口的不断增长，环境热污染将日趋严重。环境热污染将日趋严重。 提高电厂和一切用热设备的热效率；提高电厂和一切用热设备的热效率； 废热的综合利用；废热的综合利用；

59、 加强隔热保温，防止热损失；加强隔热保温，防止热损失； 寻找新能源。寻找新能源。 放射性是由放射性元素不稳定的原子核放射性是由放射性元素不稳定的原子核衰变产生的。衰变产生的。 放射性污染是由核电工业废弃物及排出放射性污染是由核电工业废弃物及排出物、放射性矿（如铀矿）的开采和利用、物、放射性矿（如铀矿）的开采和利用、核试验及航天事故、医学和科研等部门核试验及航天事故、医学和科研等部门的放射性废弃物等产生的。的放射性废弃物等产生的。 核电站在正常运行过程中要向环境排放核电站在正常运行过程中要向环境排放常规的气态和液态流出物。常规的气态和液态流出物。 管理严格、设计良好的核电厂在正常运管理严格、设计

60、良好的核电厂在正常运行时，产生的放射性污染很小。行时，产生的放射性污染很小。 但是，核电厂等核设施从建设、运营及但是，核电厂等核设施从建设、运营及退役全过程中都存在着潜在的放射性危退役全过程中都存在着潜在的放射性危害。若不加强管理，核电厂在任何环节害。若不加强管理，核电厂在任何环节发生事故时，都会造成严重的放射性污发生事故时，都会造成严重的放射性污染，威胁公众健康。染，威胁公众健康。 核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦造成放射性污染，后果不堪想象。造成放射性污染，后果不堪想象。 放射性污染有以下特殊性：放射性污染有以下特殊性： 与一般化学毒害物质污染不同，放射