能 源

能源、材料和信息 ——人类社会发展的三大支柱

能源——能量的来源或源泉，是可以从自然界直接取得的具有能量的物质，或从这些物质中再加工制造出的新物质。 能源是能够提供某种形式能量的物质，即能够产生机械能、热能、光能、电磁能、化学能等各种能量的资源。

根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期 柴草时期 从火的发现到18世纪产业革命期间，树枝杂草一直是人类使用的主要能源。 柴草不仅能烧烤食物，驱寒取暖，还被用来烧制陶器和冶炼金属。

煤炭时期 煤炭的开采始于13世纪，18世纪中叶大规模开采并成为世界的主要能源。 第一次产业革命期间，冶金工业、机械工业、交通运输业、化学工业等的发展，使煤炭的需求量与日俱增，直至20世纪40年代末在世界能源消费中煤炭仍占首位。

石油时期 第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。石油炼制得到的汽油、柴油等是汽车、飞机用的内燃机燃料。世界各国纷纷投资石油的勘探和炼制，新技术和新工艺不断涌现，石油产品的成本大幅度降低，发达国家的石油消费量猛增。到60年代初期，在世界能源消费统计表里，石油和天然气的消耗比例开始超过煤炭而居首位。

2006年能源消费状况

能源的分类 · 按能量的原始来源划分： 1. 来自地球以外天体的能量，最主要的是太阳辐射能， 2. 来自地球自身的能量。一种是以热能形式储藏于地球内部的热能和重力能；另一种是海洋和地壳中储藏的核燃料所包含的原子能。 3. 来自地球及其它天体的相互作用所产生的能量

· 按能源的成因划分：一次能源(亦称天然能源)和二次能源(亦称人工能源)。

· 按能源的储存和输送性质划分：含能体能源和过程性能源。 · 按能源使用性质划分：燃料性能源和非燃料性能源。   · 按能源的形成和再生性划分：再生能源和非再生性能源。   · 按能源的技术开发程度划分：常规能源和新能源。   · 按能源的实物形态划分：固体能源、液体能源和气体能源。   · 按能源的商品性划分：商品能源和非商品能源。   · 按能源对环境的污染程度化分：清洁能源和非清洁能源。

一次能源 是指自然界中以现成形式存在，不经任何改变或转换的天然能源资源，即从自然界直接取得并不改变其形态和品位的能源。   二次能源 是指为了满足生产工艺和生活的特定需要以及合理利用能源，将一次能源直接或间接加工转换产生的其它种类和形式的人工能源。 常规能源 也叫传统能源，就是指已经大规模生产和广泛利用的能源。 新能源 指以新技术为基础，系统开发利用的能源。其中最引人注目的是太阳能的利用。

煤炭及其综合利用 煤化作用： 植物——泥炭（腐蚀泥）——褐煤——烟煤——无烟煤 煤为不可再生能源

煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占70％），年消费量在10亿吨以上，其中30％用于发电和炼焦，50％用于各种工业锅炉、窑炉，20％用于人民生活。 煤的大部分是直接燃烧掉的，热效率的利用不高，如煤球热效率只有20％～30％；蜂窝煤可达50％，而碎煤则不到20％。至于工业锅炉用煤的热效率不仅与炉型结构有关，而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。

直接烧煤对环境污染相当严重，二氧化硫（SO2），氮的氧化物（NOx）等是造成酸雨的罪魁，大量CO2的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。 合理利用和综合利用煤资源的办法： 一，使煤转化为清洁的能源； 二，提取分离煤中所含宝贵的化工原料。

煤的气化 是让煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为可燃气体（H2，CO2，CH4等），以气体燃料的方式经管道输送到车间、实验室、厨房等，也可以作为原料气体送进反应塔。 煤的焦化 也叫煤的干馏。这是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。随加热温度不同，产品的数量和质量都不同，有低温（500～600℃）。中温（75～800℃）和高温（100～1100℃）干馏之分。

低温干馏所得焦炭的数量和质量都较差，但焦油产率较高，其中所含轻油部分，经过加氢可以制成汽油，所以在汽油不足的地方，可采用低温干馏。中温法的主要产品是城市煤气，而高温法的主要产品则是焦炭。

煤的液化 煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是由C，H，O等元素组成的有机物，但煤的平均表现分子量大约是石油的10倍，煤的含氢量比石油低得多。所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢（450～480℃，12 MPa～30 MPa）可以得到多种燃料油。

石油和天然气 石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉。自本世纪50年代开始，在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。

石油和天然气的成因 石油是由远古海洋或湖泊中的动植物遗体在地下经过漫长的复杂变化而形成棕黑色粘稠液态混合物，其沸点范围从室温到500℃以上。 未经处理的石油叫原油，它分布很广，世界各大洲都有石油的开采和炼制。就目前已查明的储量看，重要的含油带集中在北纬20～48之间，世界上两个最大的产油带，一个叫长科迪勒地带，北起阿拉斯加和加拿大经美国西海岸到南美委内瑞拉、阿根廷；另一个叫特提斯地带，从地中海经中东到印度尼西亚。这两个地带在地质变化过程中曾都是海槽，因此曾有“海相成油”学说。

天然气的主要成分是甲烷CH4，有少量乙烷C2H6和丙烷C3H8，它和石油伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000 m2的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天然气归并在一起。 天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物CO2和H2O，都是无毒物质，并且热值也很高（56KJ/g），管道输送也很方便。我国最早开发使用天然气的是四川盆地。

石油的炼制 石油中所含化合物种类繁多。必须经过多步炼制，才能使用。主要过程有分馏、裂化、重整、精制等。 分馏 利用物质的沸点不同将其进行分离

汽油和辛烷值 在40～180℃沸点范围内可以收集C6～C10馏分，这是需要量很大的汽油馏分。按各种烃的组成不同又可以分为航空汽油、车用汽油、溶剂汽油等。 汽油质量用“辛烷值”表示。在气缸里汽油燃烧时有爆震性，会降低汽油的使用效率。汽油中以C7～C8成分为主，据研究，抗震性能最好的是异辛烷，将其定标为辛烷值等于100，抗震性最差的是正庚烷，定其辛烷值为零。若汽油辛烷值为85，即表示它的抗震性能与85％异辛烷15％正庚烷的混合物相当（并非一定含85％异辛烷），商品上称为 85号汽油。

无铅汽油 1升汽油中若加入1毫升四乙基铅，辛烷值可以提高10～12个标号。四乙基铅是有香味的无色液体，但有毒。 这种抗震剂已沿用了几十年，但在汽车越来越多的今天，汽油燃烧后放出的尾气中所含微量的铅化合物已成为公害。 自20世纪70年代起从环境保护的角度考虑，各国纷纷提出要求使用无铅汽油，有些汽车的设计规定必须使用无铅汽油，以减少对环境的污染。

裂化 用上述加热蒸馏的办法所得轻油约占原油的l/3～l/4。但社会需要大量的分子量小的各种烃类，采用催化裂化法，可以使碳原子数多的碳氢化合物裂解成各种小分子的烃类。 催化重整 在一定的温度压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的“重新调整”，转化为带支链的烷烃异构体，这就能有效地提高汽油的辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃，这是原油中含量很少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要的化工原料。 加氢精制 提高油品质量的过程，除去油品中的N、S。

核能 核能也叫做原子能，是原子核在变化的过程中产生的能量变化。 1g铀235发生裂变时释放的能量为8×107KJ，1g煤完全燃烧释放的能量仅为30KJ。 原子弹和核电站 连续核裂变可以释放出巨大的核能。 若让裂变释放的能量不断积聚，最后可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这就是制造原子弹的原理。一个原子弹的爆炸威力相当于10万吨普通炸药，即TNT。 若人工控制使反应在一定程度上连续进行，产生的能量加热水蒸汽，推动发电机，这就是建设核电站的原理。

核电站的中心是核燃料和控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是用能吸收中子的材料制成的，利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度，U－235裂变时所释放的能量可将循环水加热至300℃，高温水蒸气推动发电机发电。 由此可见核电是一种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投资虽高，但运行时就没有运送煤炭、石油这样繁重的运输工作，因此还是经济的。所以发展核电是解决当前电力缺日的一种重要选择。但有两个问题总是令人担忧，一是保证安全运行，二是核废料的处理。

核聚变和氢弹 2个或多个轻核聚合成一个重核的过程叫核聚变。这时也能释放很大的能量。 氢弹的制造原理就是利用一个小的原子弹作为引爆装置，产生瞬间高温，引发2个氘核聚变为氦核，发生强烈爆炸。 从能源角度考虑，核聚变比核裂变优越： 聚变产物为稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难以处理的废料；聚变原料氘的资源丰富海水中蕴藏着大量的氘，提炼也比较容易。

核技术的应用 135I、125I、31P、60Co核素在许多医院被用作诊断和治疗的有效手段； 无刀手术的“伽马刀” ； 辐照技术，培育了400多个农作物优良品种； 金属探伤、综合找矿、化工冶金等； 14C核素，判断岩石或出土文物年龄的探针

化学电源 电能是最重要的二次能源，大部分的煤和石油制品作为一次能源用于发电。 “燃煤发电”：化学能——机械能——电能 化学电源（化学电池）：化学能——电能 如收音机、手电筒、照相机上用的干电池，汽车发动机用的蓄电池，钟表上用的纽扣电池等

常用化学电源 锌-锰干电池 电压一般为1.5V，为一次性消费品，但是旧电池可以回收锌。 铅蓄电池 放电到一定程度，可以利用外电源充电后继续使用。优点是电压稳定，使用温度范围宽，原料丰富、价格便宜等，缺点是笨重，防震性能差，易溢出酸雾，维护携带不便等。

新型化学电源 碱性蓄电池 例如生活中的充电电池。体积、电压和干电池相同，携带方便，寿命长，但价格高。 银-锌电池 即常用的纽扣电池。质量轻，体积小。 燃料电池 利用气体的燃烧，将化学能转变为电能。电池能量利用率可高达80％（一般柴油发电机只有40％左右），反应产物的污染也少。目前这类电极成本很高，气体净化要求也高，短期内难于普及。

此外，锂-锰电池、锂-碘电池、钠-硫电池、太阳能电池等多种高效、安全、价廉的电池都在研究之中。化学电源的研究和开发是化学科学的重要研究领域之一，也是能源工作者研究领域之一。

节能和新能源的开发 现代社会是一个耗能的社会，没有相当数量的能源是谈不上现代化的。 现代主要能源是煤、石油和天然气，它们都是短期内不可能再生的化石燃料，储量都极其有限，因此必须节能。 节能不是简单地指少用能量，而是指要充分有效地利用能源，尽量降低各种产品的能耗，

在节能的同时我们也要积极开展各种新型能源的研究和探索，目前不成熟的新能源也可能成为未来的主要能源。 当代新能源是指太阳能、生物质能。风能、地热能和海洋能等。 它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染.

太阳能 地球上最根本的能源。 太阳每年辐射到地球表面的能量为50×1018KJ，相当于目前全世界能量消费的1.3万倍. 太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。 太阳能的热利用——太阳能热水器、太阳能热发电站 太阳能的光电转化——通过光电池直接变成电能 光电池：安全可靠、无噪声、无污染、不需燃料、无需架设输电网、规模可大可小

生物能 蕴藏在动物、植物、微生物体内 农牧业废料、高产作物、速生树木，经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的液体燃料。 这类物质在密闭容器内经高温干馏可以生成一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性气体，这些气体可用来发电。 这类物质在厌氧条件下生成沼气，这种气化的效率虽然不高，但其综合效益很好。中型、大型沼气池不仅可用于发电，也可处理城市垃圾。 植物新品种——巴西的香蕉树（亦称石油树）、美国人工种植的黄鼠草、美国西海岸的巨型海藻

风能 利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术 地热能 地壳深处的温度比地面上高得多，利用地下热量也可进行发电。 地热能与地球共存亡，地热潜力不容忽视。 海洋能 海洋中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，这些能量总称海洋能。