大學(xué)物理選讀材料——能源與環(huán)境

1、能源是人類進(jìn)行生產(chǎn)和賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，它和材料、信息一起被認(rèn)為是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三個(gè)要素。能源的消費(fèi)水平是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)狀況、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和人民生活水平的重要標(biāo)志。解決能源問題對(duì)于發(fā)展國(guó)民能經(jīng)濟(jì)、提高人民生活水平、穩(wěn)定社會(huì)秩序等方面，都有重要的意義。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，世界總?cè)丝诘脑鲩L(zhǎng)，對(duì)能源的需求量越來越大，世界各國(guó)十分重視合理地開發(fā)和利用能源。能源是現(xiàn)代文明的支柱，給人類帶來了光明和幸福，但同時(shí)也給人類帶來了環(huán)境污染，帶來了災(zāi)禍。目前的環(huán)境問題，很大部分是由于能源發(fā)展，特別是能源礦產(chǎn)的利用引起的。利用多種能源資源和發(fā)展高效、清潔的能源技術(shù)是現(xiàn)代世界各國(guó)能源發(fā)展的目標(biāo)。 能量的定義 物體具

2、有作功的能力稱為物體的能量。能量是物質(zhì)的屬性，任何物質(zhì)都具有能量，即使物質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)也有能量，但一般情況下只有當(dāng)物質(zhì)的靜止能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能釋放出來時(shí)才能作功。 雖然任何物質(zhì)都具有靜止能量，但不同的物質(zhì)其靜止能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的難易程度及轉(zhuǎn)化的數(shù)量差別是很大的。比較集中而又較易轉(zhuǎn)化的物質(zhì)和可以直接利用的能量資源(如太陽能)才能用作能源。能量的形式 能量有各種形式，各種形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。能量的形式有以下幾類：     (1) 機(jī)械能。包括動(dòng)能和勢(shì)能，是人類最早認(rèn)識(shí)的能量。      (2) 熱

3、能。      (3) 電能。      (4) 輻射能。     (5) 化學(xué)能。      (6) 核能。      (7) 生物能。 能量在量方面的變化，遵循自然界最普遍、最基本的規(guī)律，即能量守恒定律。能量守恒定律指出：“自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，在能量

4、轉(zhuǎn)換和傳遞過程中能量的總量恒定不變”。能源在一定條件下可以轉(zhuǎn)換成人們所需要的各種形式的能量。例如，煤燃燒后放出熱量，可以用來取暖；可以用來生產(chǎn)蒸汽，推動(dòng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。電能又可以通過電動(dòng)機(jī)、電燈或其它用電器轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、光能或熱能等。又如太陽能，可以通過聚熱氣加熱水，也可以產(chǎn)生蒸汽用以發(fā)電；還可以通過太陽能電池直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)然，這些轉(zhuǎn)換都遵循能量守恒定律。運(yùn)動(dòng)是多種多樣的，就其運(yùn)動(dòng)形態(tài)而論，運(yùn)動(dòng)可分為有序運(yùn)動(dòng)和無序運(yùn)動(dòng)，因此能量也可分為有序能和無序能。一切宏觀整體運(yùn)動(dòng)的能量和大量電子定向運(yùn)動(dòng)的電能都是有序能；而物質(zhì)內(nèi)部分子雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)所具有的能量是

5、無序能。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，有序能可以完全地、無條件地轉(zhuǎn)換為無序能，但無序能不能自動(dòng)地全部轉(zhuǎn)化為有序能，無序能不能全部被利用，總有一部分要轉(zhuǎn)移到環(huán)境中去，無序能轉(zhuǎn)換為有序能是有條件的、不完全的。因此能量的轉(zhuǎn)換特性，導(dǎo)致了能量不僅有"量"的多少，還有"質(zhì)"的高低。自發(fā)進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換過程是有方向性的，當(dāng)能量轉(zhuǎn)換或傳遞過程中有無序能參與時(shí)就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的方向性和不可逆問題。因此可以說有序能比無序能更有價(jià)值。具有更高的品質(zhì)。 有一種普遍的自然現(xiàn)象：摩擦生熱。由于摩擦機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，即有序能轉(zhuǎn)換為無序能。能量的轉(zhuǎn)化從量級(jí)上看沒有變化，但從品質(zhì)上看卻降低了，即它的使

6、用價(jià)值變小了，能量使用價(jià)值的降低稱為能量貶值。摩擦使高品質(zhì)能量貶值為低品質(zhì)能量。能量貶值是自然界的普遍現(xiàn)象。 凡是能直接或者經(jīng)過轉(zhuǎn)換而獲取某種能量的自然資源都稱為能源。能源形式多樣，有不同的分類方法。按地球上的能量來源分類：   (1) 地球本身蘊(yùn)藏的能源，如：核能、地?zé)崮艿取?#160; (2) 來自地球外天體的能源，如：宇宙射線及太陽能以及由太陽能引起的水能、風(fēng)能、波浪能、海洋溫差能等。  (3) 地球與其它天體相互作用的能源，如：潮汐能等。 按被利用的程度分類：  (1)常規(guī)能源，如：煤炭、石油、天然氣、薪柴燃料、水能

7、等。  (2)新能源，如：太陽能、地?zé)崮?、潮汐能、生物質(zhì)能、核能等。獲得的方法分類：  (1) 一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然氣等。  (2) 二次能源，即由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換而來的能源，如：電、蒸氣、焦炭、煤氣等。按能否再生分類：   (1) 可再生能源，即不會(huì)隨它本身的轉(zhuǎn)化或人類的利用而日益減少，如：水能、風(fēng)能、潮汐能、太陽能等。  (2) 非再生能源，它隨人類的利用而越來越少，如：石油、煤、天然氣、核燃料等。按能源本身的性質(zhì)分類：  (1) 含能體

8、能源，如：石油、煤、天然氣、地?zé)岬?，它們可以直接存?chǔ)。  (2) 過程性能源，它們無法直接存儲(chǔ)，如水風(fēng)能、潮汐能、電能等。按對(duì)環(huán)境的污染情況分類：  (1) 清潔能源，對(duì)環(huán)境無污染或污染很小的能源，如：太陽能、水能、海洋能等。  (2) 非清潔能源，對(duì)環(huán)境污染較大的能源，如：煤、石油等。1. 儲(chǔ)量 作為能源的一個(gè)必要條件是儲(chǔ)量要足夠豐富。在考察儲(chǔ)量的同時(shí)還要對(duì)能源的可再生性和地理分布作出評(píng)價(jià)。比如太陽能、風(fēng)能、水能等都可再生，而煤、石油、天然氣則不可再生。能源的地理分布和使用關(guān)系密切，例如我國(guó)煤炭資源多在西北，水能資源多在西南，而工業(yè)

9、區(qū)卻分布在東南沿海，因此能源的地理分布對(duì)能源的使用很不利。2. 儲(chǔ)能的可能性與供能的連續(xù)性儲(chǔ)能的可能性是指能源不用時(shí)是否可以儲(chǔ)存起來，需要時(shí)是否又能立即供應(yīng)。在這方面，化石燃料容易做到，而太陽能、風(fēng)能則比較困難。供能的連續(xù)性，是指能否按需要和所需的速度連續(xù)不斷地供給能量。3. 能量密度和能流密度 能量密度是指單位質(zhì)量的物質(zhì)釋放的能量。煤的能量密度為，石油的能量密度為，裂變物質(zhì)的能量密度要比常規(guī)燃料大上百萬倍，如鈾235的能量密度為。能流密度是單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的能量。主要用來評(píng)價(jià)可直接利用的能源如太陽能、風(fēng)能等。4. 開發(fā)費(fèi)用和利用能源的設(shè)備費(fèi)用太陽能、風(fēng)能不需要任何成本即可得到。各種化石

10、燃料從勘探、開采到加工都需要大量投資。但利用能源的設(shè)備費(fèi)用則正好相反，太陽能、風(fēng)能、海洋能的利用設(shè)備費(fèi)用按每千瓦計(jì)遠(yuǎn)高于利用化石燃料的設(shè)備費(fèi)用。核電站的核燃料費(fèi)用遠(yuǎn)低于燃油電站，但其設(shè)備費(fèi)用卻高得多。5. 運(yùn)輸費(fèi)用與損耗太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮艿群茈y輸送出去，但化石燃料卻很容易從產(chǎn)地輸送至用戶。核電站核燃料的運(yùn)輸費(fèi)用極少，因?yàn)楹巳剂系哪芰棵芏仁敲旱膸装偃f倍，而燃煤電站的輸煤就是一筆很大的費(fèi)用。6.品質(zhì)能源的品位有高低之分，例如：水能能夠直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能和電能，它的品位要比由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽儆蔁崮苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的化石燃料的品位要高些。另外熱機(jī)中，熱源的溫度越高、冷源的溫度越低，則循環(huán)的熱效率就越高

11、，因此溫度高的熱源品位比溫度低的熱源品位要高。在使用能源時(shí)，要適當(dāng)安排不同品位的能源。7.對(duì)環(huán)境的影響對(duì)環(huán)境的影響不僅是指對(duì)環(huán)境的污染，還包括開采和開發(fā)過程中對(duì)生態(tài)平衡方面的影響?；剂蠈?duì)環(huán)境的污染大；太陽能、風(fēng)能、氫能對(duì)環(huán)境基本沒有污染。優(yōu)良的能源是干凈、安全、不破壞生態(tài)平衡的能源。由于生產(chǎn)力的發(fā)展和能源有著極為密切的關(guān)系，因此能源問題是現(xiàn)實(shí)社會(huì)中一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的重要問題。一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快慢在很大程度上取決于這個(gè)問題的解決。自從進(jìn)入20世紀(jì)，世界能源消費(fèi)增長(zhǎng)很快，1900年全世界能源的總消費(fèi)量相當(dāng)于7.75億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，到1980年就達(dá)到了大約100億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從能源結(jié)構(gòu)來看，20世紀(jì)

12、60年代以前大量應(yīng)用的能源是煤、石油、天然氣。由于石油的開發(fā)和利用，60年代石油用量急劇增加，在20世紀(jì)70年代末，石油和天然氣的消耗量接近全世界能源消耗總量的70%左右。世界已探明的石油儲(chǔ)量約為3000億噸，按現(xiàn)在每年開采40億噸的水平計(jì)算，現(xiàn)有儲(chǔ)量只夠開采70年。煤的可開采儲(chǔ)量為6800噸，以目前每年消耗煤炭35億噸計(jì)算，可供全世界使用200年。煤、石油、天然氣等常規(guī)能源日趨枯竭，開發(fā)、研究新能源已是世界各國(guó)亟待解決的問題。一個(gè)國(guó)家的國(guó)民生產(chǎn)總值和能源消耗量大致成線性關(guān)系，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1987年我國(guó)能源消耗量相當(dāng)于10.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按21世紀(jì)的50年內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值翻兩番的構(gòu)想和專家的預(yù)測(cè)，

13、到2050年我國(guó)能源的總需求量大約是50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而我國(guó)的能源資源和生產(chǎn)能力大致只能提供總需求量的80%左右。同時(shí)隨著人民生活水平的提高、汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)液體燃料的需求量將大大增加，而我國(guó)石油儲(chǔ)備量不足，共需矛盾將更加突出。發(fā)展新能源和新能源轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)也是一個(gè)非常重要的問題。世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類賴以生存的環(huán)境是不協(xié)調(diào)的，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)給環(huán)境造成了巨大的壓力，對(duì)發(fā)展中國(guó)家這種情況尤為突出。從引起環(huán)境問題的根源考慮，環(huán)境問題可分為兩類：由自然力引起的環(huán)境問題和由人類活動(dòng)引起的次生環(huán)境問題。第一類環(huán)境問題，主要指地震、洪澇、干旱、滑坡等自然災(zāi)害所引起的環(huán)境問題，對(duì)這類環(huán)境問題，

14、目前人類的抵御能力還很薄弱。第二類環(huán)境問題，又可分為環(huán)境污染和生態(tài)破壞兩大類。   環(huán)境問題是一個(gè)全球性的問題。污染物可以在生物圈中停留相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，并且通過擴(kuò)散或漂移輸送到離污染源很遠(yuǎn)的地方。聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的報(bào)告表明，整個(gè)地球的環(huán)境正在全面惡化，其主要表現(xiàn)為：     (1) 南極的臭氧層空洞正以每年一個(gè)美國(guó)陸地面積的速度擴(kuò)大，受臭氧空洞的影響，太陽紫外線輻射使人類皮膚癌的發(fā)病率不斷上升；     (2) 空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化，全球有1.25億人口生活在污濁的空氣中； 

15、    (3) 溫室氣體的過度釋放造成全球氣候變暖，沿海低地和一些島嶼國(guó)家正面臨海水上漲的威脅；     (4) 全球有12億人口生活在缺水地區(qū)，14億人的生活環(huán)境中沒有生活污水排放裝置；     (5) 全球每年土壤的流失量達(dá)20Gt，全世界的森林正以每年的速度從地球上消失；     (6) 全球有12%的哺乳動(dòng)物和11%的鳥類瀕臨滅絕；每24小時(shí)就有150200種生物從地球上消失；由于過度捕撈，有40多

16、種魚類也瀕臨滅絕。   人類從來沒有象今天這樣意識(shí)和感受到生存環(huán)境所受到的威脅，社會(huì)也從來沒有象現(xiàn)在這樣期盼生活空間質(zhì)量的改善。   能源作為人類賴以生存的基礎(chǔ)，在其開采、輸送、加工、轉(zhuǎn)換、利用和消費(fèi)過程中，都直接或間接地改變著地球上物質(zhì)平衡和能量平衡，必然對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生各種影響，成為環(huán)境污染的主要根源。   能源對(duì)環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在：   (1) 溫室效應(yīng)    空氣中的氧、氮、氫等雙原子氣體的輻射能力微不足道，均可看作是透明體。然而二氧化碳和水蒸氣等三原子氣體都有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力

17、。這些氣體的輻射和吸收有選擇性，它們只能輻射和吸收某些波長(zhǎng)區(qū)間的能量。對(duì)二氧化碳這類氣體，它們能讓太陽的短波輻射自由地通過，同時(shí)卻吸收地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射。這樣一來，大部分太陽短波輻射可以通過大氣層到達(dá)地面，使地球表明的溫度升高；與此同時(shí)，由于二氧化碳等氣體強(qiáng)烈地吸收地面的長(zhǎng)波輻射，使散失到宇宙空間的熱量減少，于是地面吸收的熱量多，散失的熱量少，導(dǎo)致地球溫度升高，這就是所謂的“溫室效應(yīng)”。   (2) 酸雨    天然降水的本底PH值為6.55，一般將PH值小于5.6的降水稱為酸雨?？赡芤鹚嵊甑闹饕镔|(zhì)是二氧化硫和二氧化氮，它們形成的酸雨占總酸雨量的90

18、%以上。二氧化硫和二氧化氮物質(zhì)的90%都是燃燒化石燃料造成的。   酸雨以不同的方式危害水生生態(tài)系統(tǒng)，陸生生態(tài)系統(tǒng)、腐蝕材料和影響人類身體健康。酸雨會(huì)使湖泊變成酸性，引起水生生物死亡。酸雨是造成大面積森林死亡的主要原因。酸雨也加速了建筑物、工業(yè)設(shè)備的腐蝕，影響人類身體健康。   (3) 破壞臭氧層   造成臭氧層破壞的原因是人類過多地使用氟氫類物質(zhì)和燃料燃燒產(chǎn)生的N2O所致。臭氧(O3)是氧的同素異性體，它存在于地面10km以上的大氣平流層中，吸收掉太陽輻射中對(duì)人類、動(dòng)物、植物有害的紫外光中的大部分，為地球提供了一個(gè)防止太陽紫外輻射的屏障。   (4) 熱污染    用江河、湖泊水作為火力發(fā)電廠和其它工業(yè)鍋爐、工業(yè)爐窯等用熱設(shè)備的冷卻水，冷卻水吸收熱量后，溫度將升高，然后再返回自然水源。于是大量熱量排入自然水域，引起自然水溫升高，從而形成所謂的熱污