化學與能源Word版

1、化學與能源作者：杜科材土木工程學院 學號1103300233 電郵箱707581169摘要：能源和環(huán)境是當今人類面臨的兩大問題?；瘜W在能源的研究與利用中起著重要作用。無論是煤的充分燃燒和潔凈技術(shù)，還是清潔汽油的研制；無論是核能的控制利用，還是氫能源，太陽能的使用；無論是新型綠色化學電池的研制，還是生物能源的開發(fā)，都離不開化學這一基礎(chǔ)學科的參與。目前，化石燃料是人類生產(chǎn).生活的主要能源。隨著全球能源使用量的增長，及不科學使用，化石燃料等不可再生能源將日益枯竭，并對環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。這就迫切要求人們開發(fā)氫能，核能，風能，地熱能，太陽能，和潮汐能等。 解決能源問題必須運用當

2、代化學新技術(shù)，新手段，新理論，新知識。因此我們很有必要談談化學與能源的關(guān)系。關(guān)鍵詞：化學；能源；解決；難題一 能源分類1、按其形成和來源分類：（1）來自太陽輻射的能量，如：太陽能、煤、石油、天然氣、水能、風能、生物能等。（2）來自地球內(nèi)部的能量，如：核能、地熱能。（3）天體引力能，如：潮汐能。2、按開發(fā)利用狀況分類：（1）常規(guī)能源，如：煤、石油、天然氣、水能、生物能。（2）新能源，如：核能、地熱、海洋能、太陽能、早期、風能。3、按屬性分類：（1）可再生能源，如：太陽能、地熱、水能、風能、生物能、海洋能。（2）非可再生能源，如：煤、石油、天然氣、核能。4、按轉(zhuǎn)換傳遞過程分類：（1）一次能源，直接

3、來自自然界的能源。如：煤、石油、天然氣、水能、風能、核能、海洋能、生物能。（2）二次能源，如：沼氣、汽油、柴油、焦炭、煤氣、蒸汽、火電、水電、核電、太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電等。二 能源危機的表現(xiàn)1能源危機迫在眉睫世界經(jīng)濟的現(xiàn)代化，得益于化石能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應用。因而它是建筑在化石能源基礎(chǔ)之上的一種經(jīng)濟。 然而，由于這一經(jīng)濟的資源載體將在21世紀上半葉迅速地接近枯竭。 石油儲量的綜合估算，可支配的化石能源的極限，大約為11801510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050年左右宣告枯竭。 天然氣儲備估計在13180015

4、2900兆立方米。年開采量維持在2300兆立方米，將在5765年內(nèi)枯竭。 煤的儲量約為5600億噸。1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應169年。 鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期。 核聚變到2050年還沒有實現(xiàn)的希望。 化石能源與原料鏈條的中斷，必將導致世界經(jīng)濟危機和沖突的加劇，最終葬送現(xiàn)代市場經(jīng)濟。 事實上，近10年來，中東及海灣地區(qū)與非洲的戰(zhàn)爭都是由化石能源的重新配置與分配而引發(fā)。這種軍事沖突，今后還將更猛烈、更頻繁；在國內(nèi)，也可能出現(xiàn)由于能源基地工人下崗而引發(fā)的許多新的矛盾和沖突。 總之，能源危機遲早會爆發(fā)；它的爆發(fā)將具有

5、爆炸性2 / 7。2克服能源危機的出路大力發(fā)展可再生能源 用可再生能源和原料全面取代生化資源，進行一場新的工業(yè)革命，不僅是出于生存的原因；與之相連的是世界經(jīng)濟可獲得持續(xù)的發(fā)展。在這種世界經(jīng)濟中，高科技術(shù)和生態(tài)可以承載的區(qū)域性經(jīng)濟形式將得以發(fā)展。 可再生能源主要有如下方面： 以太陽能的利用為主的可再生能源潛力極大，據(jù)天文物理學家的計算表明，太陽系還能存在45億年，每年太陽提供的能量是世界人口商品消費量的1.5萬倍。 光伏電力的應用 如在德國每平方米每年的平均日照量為1100千瓦時。電力的總需求量約為5000千瓦時，光伏技術(shù)的年平均功率約為太陽輻射量的10%。依*光伏設(shè)備生產(chǎn)5000億千瓦時的電力

6、，需要5000平方公里的光伏轉(zhuǎn)化模板面積。明智的做法是用相關(guān)設(shè)備安裝在建筑物的表面，在德國，這一做法意味著只需不到10%的建筑物頂部。 光熱利用 在中歐和北歐等缺少陽光的地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)了一些完全依賴陽光供暖的建筑物（應用比較理想的熱與熱交換系統(tǒng)）。 生物質(zhì)燃料能源 目前全球農(nóng)用面積約為1000平方公里。約有4000萬平方公里的土地為森林覆蓋，荒漠地區(qū)的面積約為4900萬平方公里。光合作用的年產(chǎn)量（包括自然生長的植物和糧食生產(chǎn)）目前大約是2200億噸干壞料，這大約相當于每年80億噸生化資料所提供的能量，只需不到1200平方公里的可耕地和林地面積（不計沼氣的能力）。 氫能源 利用自然界大量存在的水

7、，由電解水產(chǎn)生氫或由太陽能光催化水分解氫。 小水電與潮汐發(fā)電 也可提供可觀的電力。 風力發(fā)電 丹麥是風力發(fā)電大國，現(xiàn)有6300座風力發(fā)電機，提供13%的電力需求。 總之，可再生能源的利用潛力很大，完全可滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展的能源的需求。三 化學與新能源1新能源分類新能源的各種形式都是直接或者間接地來自于太陽或地球內(nèi)部伸出所產(chǎn)生的熱能。包括了太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、核聚變能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫所產(chǎn)生的能量。也可以說，新能源包括各種可再生能源和核能。相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環(huán)境污染問題和資源（特別是化石能源

8、）枯竭問題具有重要意義。同時，由于很多新能源分布均勻，對于解決由能源引發(fā)的戰(zhàn)爭也有著重要意義。新近才被人類開發(fā)利用、有待于進一步研究發(fā)展的能量資源稱為新能源，相對于常規(guī)能源而言，在不同的歷史時期和科技水平情況下，新能源有不同的內(nèi)容。當今社會，新能源通常指核能、太陽能、風能、地熱能、氫氣等。按類別可分為：太陽能 風力發(fā)電 生物質(zhì)能 生物柴油 燃料乙醇 新能源汽車 燃料電池 氫能 垃圾發(fā)電 建筑節(jié)能 地熱能 潮汐能 二甲醚 可燃冰等2新能源概況據(jù)估算，每年輻射到地球上的太陽能為17.8億千瓦，其中可開發(fā)利用5001000億度。但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地熱能資源指陸地下5000米深度內(nèi)的

9、巖石和水體的總含熱量。其中全球陸地部分3公里深度內(nèi)、150以上的高溫地熱能資源為140萬噸標準煤，目前一些國家已著手商業(yè)開發(fā)利用。世界風能的潛力約3500億千瓦，因風力斷續(xù)分散，難以經(jīng)濟地利用，今后輸能儲能技術(shù)如有重大改進，風力利用將會增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水溫差能等，理論儲量十分可觀。限于技術(shù)水平，現(xiàn)尚處于小規(guī)模研究階段。當前由于新能源的利用技術(shù)尚不成熟，故只占世界所需總能量的很小部分，今后有很大發(fā)展前途3幾種重要新能源（1）核能核能是通過轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的方程E=mc2;，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速常量。核能的釋放主要有三種形

10、式： A.核裂變能所謂核裂變能是通過一些重原子核（如鈾-235、鈾-238、钚-239等）的裂變釋放出的能量 B.核聚變能由兩個或兩個以上氫原子核（如氫的同位素氘和氚）結(jié)合成一個較重的原子核，同時發(fā)生質(zhì)量虧損釋放出巨大能量的反應叫做核聚變反應，其釋放出的能量稱為核聚變能。 C.核衰變核衰變是一種自然的慢得多的裂變形式，因其能量釋放緩慢而難以加以利用 核能的利用存在的主要問題：（1）資源利用率低 （2）反應后產(chǎn)生的核廢料成為危害生物圈的潛在因素，其最終處理技術(shù)尚未完全解決 （3）反應堆的安全問題尚需不斷監(jiān)控及改進 （4）核不擴散要求的約束，即核電站反應堆中生成的钚-239受控制 （5）核電建設(shè)投

11、資費用仍然比常規(guī)能源發(fā)電高，投資風險較大（2）海洋能簡單介紹海洋能指蘊藏于海水中的各種可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽度差能等。這些能源都具有可再生性和不污染環(huán)境等優(yōu)點，是一項亟待開發(fā)利用的具有戰(zhàn)略意義的新能源。 波浪發(fā)電據(jù)科學家推算，地球上波浪蘊藏的電能高達90萬億度。目前，海上導航浮標和燈塔已經(jīng)用上了波浪發(fā)電機發(fā)出的電來照明。大型波浪發(fā)電機組也已問世。中國在也對波浪發(fā)電進行研究和試驗，并制成了供航標燈使用的發(fā)電裝置。將來的世界，每一個海洋里都會有屬于我們中國的波能發(fā)電廠。波能將會為中國的電業(yè)作出很大貢獻。 潮汐發(fā)電據(jù)世界動力會議估計，到2020年，全世界潮汐發(fā)電量

12、將達到1000-3000億千瓦。世界上最大的潮汐發(fā)電站是法國北部英吉利海峽上的朗斯河口電站，發(fā)電能力24萬千瓦，已經(jīng)工作了30多年。中國在浙江省建造了江廈潮汐電站，總?cè)萘窟_到3000千瓦。（3）氫能安全環(huán)保：氫氣分子量為2, 僅為空氣輕1/14, 因此，氫氣泄漏于空氣中會自動逃離地面，不會形成聚集。而其他燃油燃氣均會聚集地面而構(gòu)成易燃易爆危險。無味無毒，不會造成人體中毒，燃燒產(chǎn)物僅為水，不污染環(huán)境。 高溫高能：1kg氫氣的熱值為34000Kcal, 是汽油的三倍。氫氧焰溫度高達2800度，高于常規(guī)液氣。 熱能集中：氫氧焰火焰挺直，熱損失小，利用效率高。 自動再生：氫能來源于水，燃燒后又還原成水

13、。 催化特性： 氫氣是活性氣體催化劑，可以與空氣混合方式加入催化燃燒所有固體，液體、氣體燃料。加速反應過程，促進完全燃燒，達到提高焰溫、節(jié)能減排之功效。 還原特性：各種原料加氫精煉. 變溫特性：可根據(jù)加熱物體的熔點實現(xiàn)焰溫的調(diào)節(jié)。 來源廣泛：氫氣可由水電解制取，水取之不盡，而且每kg水可制備1860升氫氧燃氣。 即產(chǎn)即用：利用先進的自動控制技術(shù)，由氫氧機按照用戶設(shè)定的按需供氣，不貯存氣體。 應用范圍廣：適合于一切需要燃氣的地方 氫能的缺點：（1）制取成本高，需要大量的電力 （2）生產(chǎn)、存儲難：氫氣密度小，很難液化，高壓存儲不安全四 總結(jié)化學在能源的研究與利用中起著重要的作用。通過學習我了解到當今社會正面臨著嚴峻的能源危機，解決這一全人類所共同面對的難題刻不容緩。古人云：“天下興亡，匹夫有責?！鄙頌楫敶髮W生的我們豈能置身事外呢？我們要用豐富的化學知識武裝自己，用執(zhí)著的信念督促自己，用科學巨匠的精神激勵自己，用充滿熱情的青春燃燒自己，在化學的海洋里汲取精神