第二章化学与能源总结课件.ppt

1、第二章第二章 化学与能源化学与能源2-1 2-1 能源与社会进步能源与社会进步2-2 2-2 煤煤2-3 2-3 石油石油2-4 2-4 汽油汽油2-5 2-5 节能技术节能技术2-6 2-6 现代新能源现代新能源能源：能够提供能量的自然资源能源：能够提供能量的自然资源。凡是能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质。能源是人类生存和发展的重要物质基础，是从事能源是人类生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力，也是社会经济发展水平的重各种经济活动的原动力，也是社会经济发展水平的重要标志。一种新能源的出现和能源科学技术的每一次要标志。一种新能源的出现和能源科学技术的每一次重大突破，都带

2、来世界性的经济飞跃和产业革命，极重大突破，都带来世界性的经济飞跃和产业革命，极大地推动着社会的进步。大地推动着社会的进步。2-1 2-1 能源与社会进步能源与社会进步 化学可给化学可给人类人类提供合理的科学的使用能源的方法。提供合理的科学的使用能源的方法。按能源的形成可分为按能源的形成可分为：1、一次能源，自然界中存在的可直接使用的能源，化石燃料如：煤、石油、天然气等。2、二次能源，经加工转化成的能源，如电、蒸汽、煤气、氢气、合成燃料等。按能源能否再生可分为按能源能否再生可分为：1、再生能源，是不随人类的使用而减少的能源，如太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等；2、非再生能源，是随人类的使用而逐

3、渐减少的能源，如煤、石油、天然气等。能源的分类能源的分类按能源使用的成熟程度可分为按能源使用的成熟程度可分为：1、常规能源（传统能源），是人类已经长期广泛使用，技、常规能源（传统能源），是人类已经长期广泛使用，技术上比较成熟的能源，如煤、石油、天然气等；术上比较成熟的能源，如煤、石油、天然气等；2、新能源，指虽一开发并少量使用，但技术上还不成熟，、新能源，指虽一开发并少量使用，但技术上还不成熟，尚未普遍使用，却具有潜在应用价值的能源，如太阳能电尚未普遍使用，却具有潜在应用价值的能源，如太阳能电池、氢能源等。池、氢能源等。按能源性质可分为按能源性质可分为：1、含能体能源，、含能体能源，指能够提供

4、能量的物质资源指能够提供能量的物质资源，如煤、石，如煤、石油、天然气等。油、天然气等。能保存也可直接储存运输能保存也可直接储存运输。2、过程性能源，、过程性能源，指能够提供能量的物质运动形式指能够提供能量的物质运动形式，如太，如太阳能、水能和风能等。阳能、水能和风能等。不能保存也很难直接储存运输不能保存也很难直接储存运输。常规能源一次能源二次能源种类新能源煤、石油、天然气、植物秸杆、水力、风力核燃料、生物质、太阳能煤气、煤油、汽油、柴油、甲醇、乙醇、电、蒸汽氢能、沼气、激光2-2 2-2 煤煤煤是最主要的固体燃料，由一定的地质年代生长的繁茂植煤是最主要的固体燃料，由一定的地质年代生长的繁茂植物

5、，在适宜的地质环境中，逐渐堆积成厚层，并埋没在水物，在适宜的地质环境中，逐渐堆积成厚层，并埋没在水底或泥沙中，经过漫长地质年代的天然煤化作用而成。底或泥沙中，经过漫长地质年代的天然煤化作用而成。根据煤化程度的不同，分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟根据煤化程度的不同，分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四类。煤四类。煤的主要元素组成：煤的主要元素组成：85C、5H、7.6O、0.7N、1.2S。折算原子比，推出分子式：折算原子比，推出分子式：C135H96O9NSn标准煤的燃烧热值标准煤的燃烧热值:1cal=4.187J1.1.泥煤泥煤:60%C;360%C;310106 6cal/kgcal/kg2.2.褐

6、煤褐煤:60:6075%C;6.575%C;6.510106 6cal/kgcal/kg3.3.烟煤烟煤:75:7590%C;7.590%C;7.510106 6cal/kgcal/kg4.4.无烟煤无烟煤:90%C;890%C;810106 6cal/kgcal/kgC(g)+O2(g)=CO(g)Q=-7.8Q=-7.810106 6cal/kgcal/kg2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)Q=-2.9Q=-2.910107 7cal/kgcal/kg无烟煤的含氢量为无烟煤的含氢量为1 14%4%煤炭资源 在地球上化石燃料的总储量中，煤炭约占在地球上化石燃料的总储量中，煤炭约占80%

7、80%。地。地质总储量为质总储量为107500107500亿吨标准煤，其中可开采量约为亿吨标准煤，其中可开采量约为98549854亿吨亿吨.90%.90%的可开采储量集中在美国、俄罗斯、的可开采储量集中在美国、俄罗斯、中国和澳大利亚等国。我国探明的可开采量为中国和澳大利亚等国。我国探明的可开采量为73007300多亿吨居世界第一位，占世界总储量的多亿吨居世界第一位，占世界总储量的66%66%。1990 1990年我国的原煤产量就突破了年我国的原煤产量就突破了1010亿吨，亿吨，20112011年产年产量达到了量达到了21.821.8亿吨，占世界开采量的亿吨，占世界开采量的50%50%。按现在。

8、按现在的开采速度不到的开采速度不到200200年我国的煤炭资源就会枯竭。年我国的煤炭资源就会枯竭。100以上200以上350以上400450450550550以上900以上蒸发自由水蒸发自由水放出化合水及二氧化碳放出化合水及二氧化碳无煤气放出，只剩下焦炭固体成为焦炭，此时只放出煤气继续分解和出现固体残留物大多数焦油被释放大多数焦油被释放开始分解，释放出煤气和焦油，烟煤软化开始分解，释放出煤气和焦油，烟煤软化 3种状态的产品：焦炭、煤焦油、焦炉气2.2.1 2.2.1 煤的干馏煤的干馏焦炭焦炭主要用于炼铁，少量用作化工原料制造电石、电板等。煤焦油煤焦油是一种又黑又臭的粘稠液体。可分离出苯、酚、萘

9、、蒽菲等重要化工原料，它们是医药、农药、炸药、染料等行业的原料。焦炉气焦炉气炼焦炉产生出来的气体物质气体物质，温度至少在700以上，其中除一氧化碳、氢气、甲烷、乙烯等可燃性气体外，还有微量苯、氨等。焦炉气焦炉气可用来作城市管道民用气体燃料。2.2.2 煤的气化煤的气化 (一碳一碳化学化学)煤转化为煤气的化学反应称为一碳化学煤转化为煤气的化学反应称为一碳化学煤煤+空气空气+H+H2 2O ONN2 2+H+H2 2+CO+CO2 2CHCH4 4 1.1.碳碳+空气空气 COCO2 2+N+N2 2 放热放热 (煤气发生炉升温煤气发生炉升温)可作为城市管道化输送的清洁燃料煤气的主要成分可作为城市

10、管道化输送的清洁燃料煤气的主要成分:40%H 40%H2 2 15%CO 15%CH 15%CO 15%CH4 4 30%CO 30%CO2 2 注注:煤矿矿井下的瓦斯主要成分是甲烷煤矿矿井下的瓦斯主要成分是甲烷 2.H2.H2 2O+C O+C H H2 2+CO +CO 吸热吸热 (水煤气水煤气)3.CO+H 3.CO+H2 2 CHCH4 4+H+H2 2O O 放热放热 (合成气合成气)2.2.3 煤气中毒煤气中毒 炉温较低或氧气供应不足时，主要产生的是炉温较低或氧气供应不足时，主要产生的是CO。因。因CO优优先与输送氧气的血红蛋白结合，阻断了氧气的输送量，使先与输送氧气的血红蛋白结合

11、，阻断了氧气的输送量，使人人发生煤气中毒发生煤气中毒。管道煤气的主要成分是。管道煤气的主要成分是CO、CH4、H2等。等。为了使泄漏提前预警，掺进一点点具有恶臭气味的为了使泄漏提前预警，掺进一点点具有恶臭气味的乙硫醇乙硫醇或四氢噻吩或四氢噻吩报警，避免煤气泄露报警，避免煤气泄露。一旦发生煤气中毒事故，轻者要及时转移到通风的一旦发生煤气中毒事故，轻者要及时转移到通风的地方，重者则应立即送到医院抢救。在医院里，将病人地方，重者则应立即送到医院抢救。在医院里，将病人放入高压氧舱，加速放入高压氧舱，加速 CO CO 与血红蛋白的分离，使病人自与血红蛋白的分离，使病人自由地呼吸，缓解缺氧症状。由地呼吸，

12、缓解缺氧症状。2-3 石石 油油石油是由亿万年前海洋或湖泊动植物遗体在地下深处，长期石油是由亿万年前海洋或湖泊动植物遗体在地下深处，长期处在高温、高压和缺氧条件下，经过漫长而复杂的变化形成处在高温、高压和缺氧条件下，经过漫长而复杂的变化形成的的,又称原油又称原油.是一是一种种黑色或暗棕色的油黑色或暗棕色的油状状液体，是各液体，是各种烃类种烃类化合物的混合物化合物的混合物 (碳氢化合物碳氢化合物)。石油不能直接用来作某种石油不能直接用来作某种发动机的燃料发动机的燃料!因此要通过一些科学的炼制方法提取出各种因此要通过一些科学的炼制方法提取出各种各样的各样的燃料油燃料油、润滑油和化工原料等产品。使石

13、油的经济价、润滑油和化工原料等产品。使石油的经济价值大为提升。值大为提升。2.3.1 石油的炼制与分馏石油的炼制与分馏分为分为:1.分馏法分馏法 2.催化裂化法催化裂化法 3.催化催化重整法重整法 4.加氢除加氢除S、N法法分馏产品碳原子数沸程（）石油气溶剂油汽油煤油柴油润滑油凡士林石蜡沥青C1C4C5C7C6C11C10C16C14C18C16C20液态烃和固态烃的混合物C20C30C30C40360重油渣油2.3.2 以石油为原料的化工产品以石油为原料的化工产品 乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘萘等是合成等是合成塑料塑料、橡胶、纤维等

14、的最基础的橡胶、纤维等的最基础的有机化工原料有机化工原料。2.3.3 液化石油气液化石油气 来自开采石油或炼制石油时产生的副产品，主来自开采石油或炼制石油时产生的副产品，主要成分是丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等。要成分是丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等。使用注意事项：使用注意事项：1、防止漏气。、防止漏气。2、钢瓶远离火源。、钢瓶远离火源。3、保持良好的通风。、保持良好的通风。4、家用电器尽量与厨房隔离。、家用电器尽量与厨房隔离。为什么液化石油气罐在用完之后再摇一摇或浇一点为什么液化石油气罐在用完之后再摇一摇或浇一点热水又可使用？热水又可使用？通常家用的液化石油气罐内主要成分为通常家用的液化石油气罐内主要成

15、分为C3和和C4的烃的烃类化合物，这些化合物在常温下是气体。经过加压后变类化合物，这些化合物在常温下是气体。经过加压后变成液体装入罐内。使用时只要打开阀门成液体装入罐内。使用时只要打开阀门C3和和C4就会立即就会立即气化而喷出。点燃即可使用。当所有的气化而喷出。点燃即可使用。当所有的C3和和C4都跑出来都跑出来之后，火也就慢慢小下去。此时如果将液化气罐子外浇之后，火也就慢慢小下去。此时如果将液化气罐子外浇一点热水，火立刻大起来。这是因为液化石油气中还含一点热水，火立刻大起来。这是因为液化石油气中还含有一些有一些C5。由于。由于C5在常温下是液体，其蒸气压随温度而在常温下是液体，其蒸气压随温度而

16、升高。升高。C5蒸气同样是可燃气体，摇一摇或加温都可帮助蒸气同样是可燃气体，摇一摇或加温都可帮助C5挥发气化加快，但绝对不可用明火直接加热液化气罐。挥发气化加快，但绝对不可用明火直接加热液化气罐。2.3.4 人造石油人造石油 直接液化法：直接液化法：把煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化把煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢。剂的作用下加氢。间接液化法：间接液化法：将煤气化成将煤气化成CO和和H2等气体小分子，然后在一等气体小分子，然后在一定的温度、压力和催化剂下合成定的温度、压力和催化剂下合成CnH2n+2、CnH2n、C2H5OH、CH3OH等有机化合物。等有机化合物。石油是

17、重要的能源，也是化学工业的重要原料。石油是重要的能源，也是化学工业的重要原料。煤和石油的主要成分是碳和氢，但煤中氢的含量远远低煤和石油的主要成分是碳和氢，但煤中氢的含量远远低于石油，平均分子量大约是石油的于石油，平均分子量大约是石油的10倍。煤的储量比石油大倍。煤的储量比石油大得多。得多。途径：将煤液化。煤炭的液化油又叫人造石油。2.4.2.4.石油之子石油之子汽油汽油 汽油是由石油提炼出来的一种优质燃料，它是由含5-10个碳原子的烷烃、环烷烃、芳香烃和不饱和烃组成的混合物，相对分子质量约为40-80，沸点低于200。它适用于汽化器式内燃发动机即汽油发动机，所以主要用于飞机、汽车、摩托车、小型

18、拖拉机、农业机械和快速舰艇。2.4.1 2.4.1 汽油的分类汽油的分类：按用途分为：1.车用汽油、2.航空汽油、3.工业汽油、4.橡胶溶剂汽油、5.油漆溶剂汽油等。按提炼方法分为：1.直馏汽油、2.裂化汽油、3.重整汽油、4.天然气汽油。2.4.1石油资源 在地球上化石燃料的总储量中，石油的地质总储量为在地球上化石燃料的总储量中，石油的地质总储量为1000010000多亿吨，多亿吨，其中其中700700多亿吨蕴藏在海洋里多亿吨蕴藏在海洋里,全球已探明可全球已探明可开采量约为开采量约为26502650多亿吨多亿吨.已开采出已开采出11501150亿吨亿吨.剩余不到剩余不到14001400亿亿吨

19、吨.在我国石油的地质储量约为在我国石油的地质储量约为940940亿吨亿吨,可开采的仅有可开采的仅有200200多多亿吨亿吨.20122012年产量突破了年产量突破了2.42.4亿吨，占全国消费量的亿吨，占全国消费量的50%50%。进。进口口2.62.6亿吨，按现在的开采速度不到亿吨，按现在的开采速度不到4040年我国的石油资源就会年我国的石油资源就会枯竭。枯竭。2.4.2 天然气资源 天然气是世界上需求增长最快的能源，天然气主要成分为CH4，含量低于90%叫湿气，高于90叫干气。我国天然气储量约38万亿m3，近年来的年开采量约700万亿m3。天然气主要靠管道输送。我国著名的我国著名的“西气东输

20、西气东输”一期工程一期工程20042004年就已竣年就已竣工投入商业运营。从新疆塔里木轮南油田经过九个省工投入商业运营。从新疆塔里木轮南油田经过九个省区全长区全长42004200公里到上海，投资公里到上海，投资42004200亿元。设计年输送亿元。设计年输送300300亿亿m m3 3，目前二期湖北、湖南、广州、深圳、香港，目前二期湖北、湖南、广州、深圳、香港)工程已完工，三期工程已完工，三期(广东、江西、福建广东、江西、福建)也与即日开工也与即日开工。2.4.3可燃冰资源 2007年在我国的年在我国的青海省天峻县木里地区青海省天峻县木里地区勘探出相当于勘探出相当于350亿亿吨油当量的可燃冰。

21、吨油当量的可燃冰。可燃冰实际上是一种天然气水合物的新型矿物。它是在低温高压条件下，由天然气分子与水分子组成的一种类冰结晶化合物的固体物质。透明无色的可燃冰外形似冰，能够燃烧.其分子结构就像一个一个的小”笼子”，有若干水分子通过氢键构成的刚性笼子里面关着一个甲烷分子。在标准状况下在标准状况下：1m3可燃冰可释放出可燃冰可释放出164 m3的天然气的天然气，折合折合 117 kg。目前，国际上公认，全球的可燃冰总储量是地球上所有煤和石油及天然气总和的23倍。可燃冰大部分蕴藏在海底。目前在世界上关于可燃冰开采的技术还不成熟，尤其是在海底的可燃冰。国际能源署（IEA）标准n油当量油当量:吨油当量吨油当

22、量 Ton Oil EquivalentTon Oil Equivalent（toetoe）1 1吨标准原油燃烧后所产生的热量值。吨标准原油燃烧后所产生的热量值。用来换算其它能用来换算其它能源的参考单位。源的参考单位。n均以原油的发均以原油的发热量值热量值为基准来折算其它能源的用量。为基准来折算其它能源的用量。国际能源署（国际能源署（IEAIEA）规定）规定：1kg1kgoe（千克油当量）=10000kcal10000kcal（千卡）=41868kJ=41868kJ（千焦）（千焦）n 1kg1kgoe（千克煤当量）=7000 kcal7000 kcal（千卡）=29307=29307 kJkJ

23、（千焦）（千焦）1 1吨标准原油经换算相当于吨标准原油经换算相当于1.431.43吨标准煤吨标准煤。7.7.一、一、辛烷值的意义辛烷值的意义：由于汽油在发动机燃烧的过程中一些成分转化成由于汽油在发动机燃烧的过程中一些成分转化成有机过氧化物（有机过氧化物（ROOHROOH），），当这些过氧化物积聚到一定量当这些过氧化物积聚到一定量时就会引起爆击。所以，抗爆性是汽油的一种重要性质，时就会引起爆击。所以，抗爆性是汽油的一种重要性质，通常用辛烷值来度量。异辛烷（通常用辛烷值来度量。异辛烷（2,2,42,2,4三甲基戊烷）三甲基戊烷）的抗暴性为的抗暴性为100100，正庚烷为零。，正庚烷为零。汽油的牌号

24、是根据辛烷值的大小来编排的，主要汽油的牌号是根据辛烷值的大小来编排的，主要有有7070#、7575#、8080#、8585#、9090#、9393#、9797#等。汽油的牌号等。汽油的牌号越大辛烷值越高，表示该汽油的抗爆性能越好。越大辛烷值越高，表示该汽油的抗爆性能越好。2.4.4 2.4.4 汽油的抗爆性指标汽油的抗爆性指标-辛烷值辛烷值二、影响汽油辛烷值大小的因素二、影响汽油辛烷值大小的因素：1、汽油的组成:实际使用的汽油是将各种烃类根据辛烷值实际使用的汽油是将各种烃类根据辛烷值的要求和安定性及其他指标合理调配而成。的要求和安定性及其他指标合理调配而成。2、外部添加剂:0.13%0.13%

25、的的四乙基铅四乙基铅可使辛烷值提高可使辛烷值提高20-3020-30个个单位。但四乙基铅会引起铅中毒，现在采用无铅汽油。因单位。但四乙基铅会引起铅中毒，现在采用无铅汽油。因此，研究和开发提高汽油辛烷值的方法和新添加剂，是一此，研究和开发提高汽油辛烷值的方法和新添加剂，是一件非常重要和有意义的工作。目前已被件非常重要和有意义的工作。目前已被甲基甲基(乙基乙基)叔丁基叔丁基醚所代替。醚所代替。3 3、汽油辛烷值的计算方法:汽油牌号汽油牌号=(=(辛烷值辛烷值-10)/0.8-10)/0.8 90#的辛烷值为82;93#的辛烷值为85.2.4.5 2.4.5 今日汽油之替代物今日汽油之替代物一、甲醇

26、燃料、甲醇燃料 甲醇是一种生物质液化醇类燃料，生物柴油以及由水制得的氢气是最有发展前途的代用汽油。作为汽车燃料的主要优点作为汽车燃料的主要优点：辛烷值高，热利用效率高，没有污染。甲醇作为汽车燃料的使用方法甲醇作为汽车燃料的使用方法：一种是甲醇与汽油混合使用，通常在汽油中加入15%20%的甲醇；另一种方法是单独使用甲醇。甲醇作为汽车燃料使用的弊病甲醇作为汽车燃料使用的弊病：1.甲醇的发热量只有汽油的一半甲醇的发热量只有汽油的一半；2.寒冷天气甲醇比汽寒冷天气甲醇比汽油发动要困难；油发动要困难；3.燃烧时产生甲醛的量比较大，约为石燃烧时产生甲醛的量比较大，约为石油燃料的油燃料的5倍。倍。甲醇的制取

27、甲醇的制取：一是从煤中获取，先将煤气化获得合成气，再在高温高压和催化剂的作用下反应制得；二是从生物质获取，将木质纤维素蒸馏或先将生物质变成一氧化碳和氢气，然后通过催化剂催化合成。二、乙醇燃料二、乙醇燃料 乙醇俗称酒精，是一种无色、透明的液体，它的相对密度、沸点都与汽油相近。作为汽车燃料的主要优点作为汽车燃料的主要优点：燃烧时的发热量较高，燃烧完全，而且抗震性能好，所以也是代替汽油的一种较理想的燃料。用乙醇代替汽油的使用方法用乙醇代替汽油的使用方法：一种是与汽油混合使用；另一种是单独使用。通常是在汽油中掺入10%20%的酒精，称为改性燃料。由于它抗震性能好，燃烧完全，从而减少了汽车尾气对环境的污

28、染。制取酒精燃料的原料：制取酒精燃料的原料：主要有粮食、甘蔗、甜菜、水果等，最近还发展了用植物、树木和垃圾等为原料制酒精燃料的工艺。三、生物柴油三、生物柴油生物柴油是从生物质获取的一类液体燃料。生物柴油的制取方法生物柴油的制取方法：一种是动、植物油的改造。如草籽油、棉籽油或地沟油等经过酯化处理后，就可变成易燃烧的油，它特别适合作为柴油机用的燃料油，故称作酯化柴油；另一种方法是种植“柴油树”。有些热带树的树枝会流出一种组分类似柴油的液体，不经过提炼就可当作柴油使用。2-5 节节 能能 技技 术术 节省能源是世界性的潮流，节省能源是世界性的潮流，国际能源署把节能技术称为国际能源署把节能技术称为“第

29、五大能源第五大能源”，与煤炭与煤炭、石油和天然气石油和天然气、水电水电、核能核能四大能源并列。四大能源并列。节能途径：节能途径：结构节能、管理节能、技术节能结构节能、管理节能、技术节能结构节能结构节能：通过经济结构的调整，向节能型低碳化工业体系发展；如:建造坑口火力发电厂建造坑口火力发电厂,省去运输省去运输。管理节能管理节能：加强检测计量、优化能源分配、杜绝 “跑、冒、滴、漏”等现象的发生。技术节能技术节能：通过新技术、新工艺、新材料、新设备、新器件的开发应用来取得节能效益。水煤浆水煤浆：是一种很有前途的新型燃料。在煤粉中加入30%左右的水和少量添加剂（分散剂和稳定剂）,形成粘度低、稳定性好的

30、悬浮体，从而是固体煤变成液态化的燃料，实现以煤代油。优点：优点：储存方便，燃烧污染小，具有良好的应用前景。乳化油乳化油：是指油与水充分混合后组成的一种乳状液。将油水混合，水量为10%-30%，添加千分之一左右的乳化剂，然后经乳化而成。乳化油经雾化可以改善燃料与空气的混合和燃烧过程，从而达到节约燃料和降低燃烧污染的目的。化工生产过程中节能：化工生产过程中节能：化学反应过程、传质过程中节能，并有效利用余热。2-6 现代新能源现代新能源太阳能太阳能氢氢 能能核核 能能电化学能源电化学能源绿色能源概念绿色能源概念资源丰富、不需运输、不受地理位置的限制、无污染、无噪声的最佳自然能源。地球上最根本的能源是

31、太阳能。太阳每年辐射的地球表面的能量为51019kJ，相对于目前全世界每年能量消费的1.3万倍，人类一直在间接利用太阳能。如煤、石油等的能量是就是古生物蓄积起的太阳能。人们利用太阳能的方法主要有人们利用太阳能的方法主要有三三种：种：（1 1）太阳能直接转换成电能，如光伏太阳能电池；）太阳能直接转换成电能，如光伏太阳能电池；（2 2）太阳能集热器直接转换成热能，如太阳能热水器；）太阳能集热器直接转换成热能，如太阳能热水器；（3 3）太阳能直接转换成化学能，即植物光合作用的）太阳能直接转换成化学能，即植物光合作用的仿生仿生转换研究，目的是让人造粮食、人造燃料成为现实转换研究，目的是让人造粮食、人造

32、燃料成为现实。2-6.1.1 太太 阳阳 能能2.6.2生物质能生物质能是指光合作用而产生的各种有机体储存的能量生物质能是指光合作用而产生的各种有机体储存的能量.植物生长借植物生长借吸收太阳能发生光合作用的反应式吸收太阳能发生光合作用的反应式:叶绿素叶绿素 mCO2+nH2O-Cm(H2O)n+O2 光合作用光合作用 据理论推算地球上每年通过植物光合作用可固定据理论推算地球上每年通过植物光合作用可固定的碳达的碳达21011t，含能量达含能量达31018kJ。每年的生产每年的生产量就相当目前人类消耗矿物能的量就相当目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界倍，或相当于世界现有人口食物能量的现有人口

33、食物能量的160倍倍。生物质能是热能的来源，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料为人类提供了基本燃料。1、太阳能电池太阳能电池 光伏效应：当物体受到光照射时，物体就会产生电光伏效应：当物体受到光照射时，物体就会产生电动势和电流的现象称为光伏效应动势和电流的现象称为光伏效应。依据此原理制成，主要有到的半导体材料有单晶硅（Si）、多晶硅（Si）、非晶态硅（Si）、硫化镉CdS、砷化镓GeAs等。应用：在日常生活中，太阳能的手表、计算器、太阳能充电器等。用太阳能电池作飞机、小型汽车、摩托车的动力；现代高科技中，太阳能电池为人造卫星和宇宙飞船探 测宇宙空间提供了方便、可能的能源。例如：卫星的电源

34、由太阳能电池方阵和蓄电池组成，例如：卫星的电源由太阳能电池方阵和蓄电池组成，当卫星向着太阳飞行时，电池方阵受阳光照射产生电当卫星向着太阳飞行时，电池方阵受阳光照射产生电能，供卫星用电，并同时向卫星上的蓄电池充电，当能，供卫星用电，并同时向卫星上的蓄电池充电，当卫星背着太阳飞行时，蓄电池放电，使卫星上的仪器卫星背着太阳飞行时，蓄电池放电，使卫星上的仪器保持连续工作。人在宇宙飞船或空间站中生活就靠太保持连续工作。人在宇宙飞船或空间站中生活就靠太阳能电池供能（电能、热能）维持化学反应，供应人阳能电池供能（电能、热能）维持化学反应，供应人体所需要的氧气和水，又不断去除人体排出的二氧化体所需要的氧气和水

35、，又不断去除人体排出的二氧化碳和异味物质。碳和异味物质。主要反应如图所示：主要反应如图所示：2、太阳能集热器太阳能集热器 太阳能的能量密度低，必须将分散的太阳热能聚集起来变成热能加以储存和利用。聚焦集热器：利用抛物面聚光原理，把太阳光聚焦聚焦集热器：利用抛物面聚光原理，把太阳光聚焦到一点上，提高太阳能辐射的能量密度，使局部获得高到一点上，提高太阳能辐射的能量密度，使局部获得高温。用于蒸煮饭菜、太阳能热水器等。温。用于蒸煮饭菜、太阳能热水器等。太阳能真空集热管：只需吸收微弱的太阳光，就能太阳能真空集热管：只需吸收微弱的太阳光，就能达到较高的温度，用于寒带蔬菜大棚的加热而在农村地达到较高的温度，用

36、于寒带蔬菜大棚的加热而在农村地区广泛使用。水立方游泳馆的水温调节、淋浴，拉萨火区广泛使用。水立方游泳馆的水温调节、淋浴，拉萨火车站的冬季取暖已发挥了预期的功能车站的冬季取暖已发挥了预期的功能。3、太阳能发电太阳能发电先将太阳光转变成热能，然后再通过能量转换成电能。太阳能热电站：太阳能热电站：在地面上设置许多聚光镜，从不同角在地面上设置许多聚光镜，从不同角度和方向把太阳光收集起来，集中反射到一个高塔顶度和方向把太阳光收集起来，集中反射到一个高塔顶部的专用锅炉上，使锅炉里的水受热变为高压蒸气，部的专用锅炉上，使锅炉里的水受热变为高压蒸气，经换热器和气轮发电机把热能变成机械能，进而转化经换热器和气轮

37、发电机把热能变成机械能，进而转化成电能。成电能。太阳能发电机系统：太阳能发电机系统：将熔点温度为将熔点温度为300300的液态钠作的液态钠作为碱金属热电转换器，把太阳光聚集后，利用钠原子为碱金属热电转换器，把太阳光聚集后，利用钠原子放出的电子在两电极之间形成电压，产生电流。夜晚放出的电子在两电极之间形成电压，产生电流。夜晚或阴雨天采用天然气或石油加热钠，保证连续发电。或阴雨天采用天然气或石油加热钠，保证连续发电。氢气作为燃料能源具有明显的特点氢气作为燃料能源具有明显的特点：1、能量大，被称作高能燃料；2、清洁，唯一的燃烧产物是水，常作为宇航员的饮用水；3、资源极为丰富；4、具有贮能功能；5、可

38、循环和再生。2.6.3 2.6.3 氢氢 能能制取：制取：电解水法、热化学法（高温有中间介质存在的条件下，分步完成水解）、光分解法（用钛酸锶和金属铂分别作光电极和暗电极，在光照下分解）、细菌产氢 如一种芽孢杆菌在使葡萄糖发酵时，能产生约如一种芽孢杆菌在使葡萄糖发酵时，能产生约0.250.25升的氢气；一种蓝绿藻，在一定的光照、温度条件下进升的氢气；一种蓝绿藻，在一定的光照、温度条件下进行光合作用产生氢气。行光合作用产生氢气。应用：航天方面应用：航天方面:氢的能量密度高，对减轻燃料自重、增加有效载荷极为重要。如美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭燃料就是液态氢。航空方面航空方面:在飞机上作

39、为动力燃料;汽车应用方面汽车应用方面:成效更显著；燃料电池。氢的氢的贮存和运输：贮存和运输：金属氢化物贮氢（氢化钠、氢化钙氢化钠、氢化钙），金属吸附金属吸附 （如钛钛在常温下可吸附的氢气为本身体积的600倍，加热时可释放出来），某些无机物、有机液体氢化物贮氢（贮氢量大、运输安全方便、例外贮氢剂用到的苯或甲苯可循环使用）。2.6.4 潮汐能 海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能；在落潮的过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转化为动能。世界上潮差的较大值约为1315m，但一般说来，平均潮差在3m以上就有

40、实际应用价值。潮汐能是因地而异的，不同的地区常常有不同的潮汐系统，他们都是从深海潮波获取能量，但具有各自独特的特征。尽管潮汐很复杂，但对于任何地方的潮汐都可以进行准确预报。潮汐能的利用方式主要是发电。潮汐发电是利用海湾、河口等有利地形，建筑水堤，形成水库，以便于大量蓄积海水，并在坝中或坝旁建造水利发电厂房，通过水轮发电机组进行发电。只有出现大潮，能量集中时，并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方，从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有，但世界各国都已选定了相当数量的适宜开发潮汐电站的站址。浙江温岭江厦双向潮汐能发电站，全国第一，世界第三。核能（原子能）是核反应时释放出来的能量。在

41、核核能（原子能）是核反应时释放出来的能量。在核应过程中，不仅元素发生了变化，而且还涉及到核内质应过程中，不仅元素发生了变化，而且还涉及到核内质子、中子、电子或其他基本粒子，伴随着巨大的能量变化。子、中子、电子或其他基本粒子，伴随着巨大的能量变化。2.6.52.6.5核核 能能 从原子核得到能量有两种从原子核得到能量有两种方法：方法：优点优点：1 1、能量巨大，而且非常集中。、能量巨大，而且非常集中。2 2、运输量小，而且地区适应性强。、运输量小，而且地区适应性强。3 3、资源丰富。、资源丰富。4 4、核燃料可以循环使用。、核燃料可以循环使用。5 5、核燃料可以增殖。、核燃料可以增殖。一是裂变；

42、即将某些含奇数个中子的重核分裂成两个质量一是裂变；即将某些含奇数个中子的重核分裂成两个质量相近的轻核；相近的轻核；原子弹爆炸原子弹爆炸 二是聚变；即将质量较轻的核聚合成较重的核；二是聚变；即将质量较轻的核聚合成较重的核；氢弹爆炸氢弹爆炸核裂变的过程核裂变的过程 235U 被慢中子轰击时发生分裂成为质量相近的被慢中子轰击时发生分裂成为质量相近的两个碎片，两个碎片，(大约有十多组，大约有十多组，30多种新核素产生多种新核素产生)同同时有时有2-4个中子射出，这些中子还可能再去轰击别的个中子射出，这些中子还可能再去轰击别的235U 核诱发新的核裂变核诱发新的核裂变 (大约有十多组，大约有十多组，30

43、多种新多种新核素产生核素产生)，导致产生更多的中子。从而引起更多的，导致产生更多的中子。从而引起更多的核裂变，中子从释放到引起裂变的时间间隔只有万分核裂变，中子从释放到引起裂变的时间间隔只有万分之一秒。之一秒。如果这种链式反应不加控制地进行下去，那么在极短时间内大量核裂变并放出巨大的能量，结果产生原子爆炸，这就是原子弹爆炸的基本原理原子弹爆炸的基本原理。如果设法控制这种链式反应，使它维持在一定程度持续地进行，就可根据需要利用核能。核反应堆的运行就是依据这一原理。核反应堆的组成：核反应堆的组成：1、裂变材料：、裂变材料：核燃料，核燃料，U-235。2、减速剂：、减速剂：使中子减速，以诱导下一次核

44、裂变使中子减速，以诱导下一次核裂变。3、控制棒：、控制棒：用对慢中子有吸收作用的镉棒和硼用对慢中子有吸收作用的镉棒和硼棒来控制。棒来控制。4、冷却剂、冷却剂：将堆内的热量带出。：将堆内的热量带出。5、反射层：阻止中子泄漏。如铍。、反射层：阻止中子泄漏。如铍。6、屏蔽层：防止裂变产物的强放射性。、屏蔽层：防止裂变产物的强放射性。核电站工作原理热堆的概念核电站工作原理热堆的概念 第一个中子生成：第一个中子生成：9Be+4He12C+1n 中子打入中子打入235U的原于核以后，原子核就会变得不稳定，会分裂成两个较的原于核以后，原子核就会变得不稳定，会分裂成两个较小质量的新原子核，这就是核的裂变反应，

45、小质量的新原子核，这就是核的裂变反应，放出的能量叫裂变能；放出的能量叫裂变能；90Sr+143Xe+31n 235U+1n 142Ba+91Kr+31n 137Fe+97Zr+21n 以下式为例以下式为例：235U+1n 142Ba+91Kr+31n 已知的各核素摩尔质量分别为：已知的各核素摩尔质量分别为：235.049g.mol-1、1.00867 g.mol-1、141.9092 g.mol-1、90.9056 g.mol-1，计算发生裂变反应的计算发生裂变反应的质量亏损质量亏损：m=（141.909290.905631.00867235.0491.00867）=0.21189 g.mol

46、-1计算计算1g铀裂变产生的热量铀裂变产生的热量 E=mc2 E=0.2118g.mol-1（2.9979108m.s-1）2 =1.90351013kg.m2.s-2.mol-1 =1.90351013kJ.mol-1 1克克235U按上式裂变可放出的能量为：按上式裂变可放出的能量为：E=1.90351013kJ.mol-1 1.000g/235.439 g.mol-1）=8.1107kJ.mol-1 1公斤铀裂变产生的热量为公斤铀裂变产生的热量为8.11010kJ1公斤标准煤燃烧后产生的热量为公斤标准煤燃烧后产生的热量为3104kJ1公斤铀裂变产生的热量相当于公斤铀裂变产生的热量相当于27

47、00吨标准煤燃烧后产生的热量。吨标准煤燃烧后产生的热量。因此，核电站特别适合于缺乏常规能源而又急需用电的地区，因此，核电站特别适合于缺乏常规能源而又急需用电的地区，如如我国的东南、华南地区可节省大量的运力。我国的东南、华南地区可节省大量的运力。核电站的中心是核反应堆，反应堆运行时产生的大量热能由冷却剂载带出来，通过热交换器把热量传给另一回路的水，使水产生高压蒸汽驱动气轮发电机组发电。核电站核电站就是利用原子核裂变反应释放的大量热能来发电的。与发电量相同的火力发电厂相比，与发电量相同的火力发电厂相比，核电站放出的污染物要少核电站放出的污染物要少得多，发电成本低，燃料的运输和储存也比化学燃料方便。

48、得多，发电成本低，燃料的运输和储存也比化学燃料方便。因此，核裂变将成为世界动力的一种主要能源。因此，核裂变将成为世界动力的一种主要能源。我国的原子能科学技术，虽然起步晚，但经过我国的原子能科学技术，虽然起步晚，但经过30多年的多年的努力已具有雄厚的基础。努力已具有雄厚的基础。60年代以来，我国成功地爆炸了原年代以来，我国成功地爆炸了原子弹、氢弹和研制成核潜艇。至今，原子能开发利用技术已子弹、氢弹和研制成核潜艇。至今，原子能开发利用技术已达到一定的水平，它为核电的建设打下了良好的基础。达到一定的水平，它为核电的建设打下了良好的基础。1991年年12月月15日，我国自行设计的浙江秦山核电站一期工程

49、日，我国自行设计的浙江秦山核电站一期工程30万千瓦压水堆机组并网发电成功。万千瓦压水堆机组并网发电成功。1993年底，广东大亚湾核年底，广东大亚湾核电站已经成功运行。电站已经成功运行。1995年，秦山核电站发电年，秦山核电站发电22亿千瓦时亿千瓦时，大亚湾核电站已超额完成了，大亚湾核电站已超额完成了100亿千瓦时的发电任务。这亿千瓦时的发电任务。这样，我国在样，我国在1995年核发电已达到年核发电已达到122亿千瓦时，目前我国已亿千瓦时，目前我国已建成江苏田湾建成江苏田湾、广东岭奥广东岭奥、福建宁德等福建宁德等11座核电机组，总装座核电机组，总装机容量机容量870万千瓦，占全国电力总装机容量的

50、万千瓦，占全国电力总装机容量的2.2%.万千瓦，设计年万千瓦，设计年发电发电260亿千瓦时。今年阳江的亿千瓦时。今年阳江的6台台100千瓦中千瓦中1台将并网发台将并网发电，三年内输电电，三年内输电450亿千瓦时。到亿千瓦时。到2020年我国计划建成总装年我国计划建成总装机容量机容量4000万千瓦，核电的贡献可有万千瓦，核电的贡献可有2%上升到上升到4%。二、二、核聚变和核聚变能的利用核聚变和核聚变能的利用n如：如：2H+3H 4He+1n n 氢弹爆炸氢弹爆炸 核聚变由两个或更多个核聚变由两个或更多个轻核聚合成一个较重的核的过程，轻核轻核聚合成一个较重的核的过程，轻核聚变将伴随着更巨大的能量释