能源与节能技术-绪论1-1能量与能源

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1、能源与节能技术,王晓墨 wxm_hust,课程内容： 能源的基础知识 能源转换 常规能源 新能源 节能技术,第一章 绪论,能量与能源 能源在社会可持续发展中的作用 世界能源资源与能源消耗 我国能源形式,第一节,能量与能源,一、能量,构成世界的三大基础是物质、能量和信息 世界由物质构成 能量是物质的属性 信息是客观事物和主观认识相结合的产物,宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。 所谓能量，广义地说，就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化）的过程必然伴随着能量的消耗或转化。,科学史观还认为，物质是某种既定的东西，既不能被创造也

2、不能被消灭，因此作为物质属性的能量也一样不能创造和消灭。能量和物质质量之间的关系是爱因斯坦于1922年揭示的，即 E = m c2,Einstein 爱因斯坦阿尔贝特,1879-1955,德裔美国理论物理学家,他创立的狭义和广义相对论使现代关于空间和时间性质的想法发生突破性进展,并给原子能的利用提供了理论基础,因其对光电效应的解释获1921年诺贝尔奖,二、能量的形式,作为一个哲学上的概念，能量是一切物质运动、变化和相互作用的度量。具体而言，能量反映了一个由诸多物质构成的系统同外界交换功和热的能力的大小。 利用能量从实质上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。 能量利用的优劣

3、，利用效率的高低与具体过程密切相关。,到目前为止，人类所认识的能量有 机械能 热能 电能 辐射能 化学能 核能,1.机械能 机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称之为动能，后者称之为势能。它们都是人类最早认识的能量形式。 动能是指系统（或物体）由于作机械运动而具有的作功能力,1.机械能 势能与物体的状态有关。 重力势能：受重力作用的物体因其位置高度不同而具有,弹性势能：物体由于弹性变形而具有的作功本领,表面能：即不同类物质或同类物质不同相的分界面上，由于表面张力的存在而具有的作功能力,2.热能 热能是能量的一种基本形式，所有其它形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次

4、能源都是首先经过热能形式而被利用的，因此热能在能量利用中有重要意义。 构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称之为热能。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程度。,3.电能 电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常是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。,4.辐射能 辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能。 其中从能量利用的角度而言，因热的原因而发出的辐射能（又称热辐射能）是最有意义的，例如地球表面所接受的太阳能就是最重要的热辐射能。,5.化学能 化学能是物质结构能的一

5、种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能成为化学能。 人类利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢，而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。 燃料燃烧时的化学能通常用燃料的发热值表示。,6.核能 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）和重质量的原子核（铀等）其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量原子核，同时释放出巨大的结合能。,三、能源的分类,大英百科全书对能源的解释为“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风

6、的术语，人类采用适当的转换手段，给人类自己提供所需的能量”。 在现代汉语辞典中，对能源的注解是“能产生能量的物质，如燃料、水力、风力等”。 能源：凡是能直接或者经过转换而获取某种能量的自然资源统称为能源,按地球上的能量来源分： 地球本身蕴藏的能源：核能、地热能 来自地球外天体的能源：宇宙射线、太阳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、光合作用、化石燃料 地球与其它天体相互作用的能源：潮汐能,按被利用的程度分 常规能源：开发利用时间长、技术成熟、能大量生产并广泛使用，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料，水能等 新能源：开发利用较少或正在研究开发之中，太阳能、地热能、潮汐能、生

7、物质能，核能,按获得的方法分 一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等 二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。,按能否再生分 可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而日益减少，如水能、风能、潮汐能、太阳能等； 非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。,按能源本身性质分： 含能体能源，如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存； 过程性能源，它们无法直接储存，如水能、风能、潮汐能、电能等。,按对环境的污染情况分 清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，

8、如太阳能、水能、海洋能等； 非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油 等。,四、能量的转换,能量形态上的转换，如燃料的化学能通过燃烧转换成热能，热能通过热机再转换成机械能等 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,五、能源的评价,储量 储能的可能性 与供能的连续性 能量密度 开发费用和利用能源的设备费用 运输费用与损耗 能源的品位 对环境的影响,几种能源的能量密度,能量传递过程的特点 能量传递是有条件的，即在有能量密度差的条件下，能量总是从能量密度大的物质或能量集中的地方，向能量密度小的物质或地方传递；总是从集中到分散并逐步达到平衡。,六、能量的传递,能量传递

9、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阻力。,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，从一地到另一地，从一物到另一物；转换则是由一种形态变为另一形态。,能量传递的途径基本有两条：由物质交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，通常主要以两种方法进行：传热有温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形式；作功由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。,通过能量交换而实现的能量传递，即传热和作功，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；作功（这里指机械功）的三种基本方式是容积功、

10、转动轴功和流动功（推动功）。,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递的最终去向。 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，包括直接损失和用于过程后再进入环境这两种情况。,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，能量的最终去向只能是唯一的，即最终进入环境。,第二节,能源在社会可持续发展中的作用,一、可持续发展的概念,1992年6月在巴西里约热内卢召开了联合国环境与发展大会（UN Conference on Environment and Development）第一次正式提出了可持续发展的思想 可持续发展是有其深刻内

11、涵的，它表现在以下四方面： “发展”是大前提 ；“协调性”是核心 ；“公平性”是关键 ；“科学技术进步”是必要保证。,二、能源更迭与社会发展,人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。 (1)火的发现和利用 (2)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 (4)电的发现及开发利用 (5)原子核能的发现及开发利用,人类社会已经历了三个能源时期： 薪柴时期； 煤炭时期； 石油时期。,薪柴时期 以薪柴、秸秆和动物的排泄物为燃料，同时以人力、畜力和一小部分简单的风力和水力机械作动力。 生产和生活水平都极低 煤炭时期 先是蒸气机成为生产的主要动力，19世纪末，电力开始进

12、入社会的各个领域， 工业迅速发展 人类的生活水平和文化水平也有极大的提高,石油时期 以石油和天然气为主要能源 各类交通工具迅猛发展 创造了人类历史上空前的物质文明 21世界，清洁能源时代,20世纪世界能源回眸,1900 英国帕森斯制成1000kW、50Hz汽轮发电机组。 1903 12月27日，美国莱特兄弟制造的世界第一架飞机试飞成功。 1904 意大利试验地热发电成功。 1905 爱因斯坦发表狭义相对论。 1906 美国休利特和巴克发明悬式绝缘子，使输电电压由60kV提高到110kV。 1908 美国建成世界第一条110kV输电线路。德国哈伯发明合成氨生产工艺。,1910 电动洗衣机和电灶部

13、问世。 1911 美国标准石油公司（当时控制65%的炼油业务）被强令解散，分解成34家公司。 1912 德国建成世界第一座潮汐电站。 1913 亨利福特安装世界第一条工业生产流水线，大批量生产T型汽车。 美国布尔公司制出第一台轻便拖拉机。 1915 世界第一艘航空母舰在英国海军服役，满载排水量2万t。目前，美国航母舰队一天耗油160万升。,1916 坦克出现在欧洲战场。美国现有的M-1主战坦克每小时耗油1110升。 1920 前苏联建成第一座热电站。 1923 美国建成世界第一条220kV输电线路。 1925 美国制成世界第一台100MW汽轮发电机组。 1926 英国贝尔德发明黑白电视机。 1

14、927 美国伯泽发明电冰箱。德国建成世界第一座煤炭液化厂。,1929 美国建成第一座抽水蓄能电站，7000kW。 1930 家用空调器问世。德国克劳德发明荧光灯。 1933 美国成立田纳西河流域管理局（TVA），促进流域内资源的综合规划和开发利用。 前苏联建成世界第一座试验性煤炭地下气化站。 1934 德国建成世界第一条高速公路，科隆 波恩。,1936 英国发明雷达。 1937 美国建成世界第一条287kV超高压交流输电线路。 1939 德国喷气式飞机试飞成功。美国F-15喷气式战斗机每分钟耗油910升。 1940 美国制成彩色电视机。 1942 4月26日，中国本溪煤矿发生瓦斯大爆炸，死亡1

15、527人，是世界最严重的煤矿事故。 12月，美国建成世界第一座热中子核反应堆。,1943 美国建成大口径原油管道，总长2018km，直径610mm，日输送能力47700m3。 510月，发生洛杉矶光化学烟雾事件，大多数居民患病，65岁以上老人死亡400人。 1945 美国制成世界第一台电子计算机。 1947 贝尔实验室发明晶体管。 1948 在沙特阿拉伯发现世界最大油田 盖瓦尔油田，原始储量430亿t。美国卡尔森发明静电复印机。,1951 法、德、意、荷、比、卢成立欧洲煤钢共同体。 1952 12月，发生伦敦烟雾事件，5天内死亡4000人。 1954 前苏联建成世界第一座试验核电站，5MW。美

16、国建成世界第一艘核潜艇。 贝尔实验室发明单晶硅光伏电池。英国装备世界第一个综合机械化采煤工作面。 美国制成第一台晶体管收音机。 1957年美国安装第一台超临界火力发电机组，125MW。美国建第一条输煤管道，长173km，管径273mm，年输送能力130万t 。,1958 中国发现大庆油田，该油田为世界特大型油田之一。 1957年发现北海油气区，该油气区石油储量220亿桶，天然气储量3.4万亿m3。美国建成第一艘 LNG船，载重1.2万t，储罐液面温度-162.5。前苏联首创快中子增殖反应堆。英国培根制成大功率燃料电池（5kW），改进型用于阿波罗飞船。 1960 成立OPEC。美国首创磁浮列车。美国梅曼制成第一台激光器。,1966 石油在世界一次能源构成中超过煤炭居第一位。俄罗斯西西伯利亚发现世界最大气田乌连戈伊气田，可采储量超过8万亿m3。 1969 美国国防部建成因特网。前苏联首次试验受控核聚变。 1970 法国制成世界第一台燃气、蒸汽联合循环发电机组。 1972 前苏联向东欧5国输油的友谊输油管线建成，总长10000km，管径1220.820mm，年输送能力1