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第十章 能源的可持续利用

Lesson 10/11 | Study Time: 20 Min


10.1 能源


能源





能源的定义与来源























内容 描述
定义 自然界中能为人类提供能量的资源。
来源
- 化石能源:煤炭、石油、天然气。

- 可再生能源:风、河流、潮汐、草木燃料、太阳辐射等。
能量转化
- 煤、天然气:通过燃烧将化学能转化为热能。

- 地下热水:利用热能暖化寒冷地区。

- 铀矿石:提取核燃料,产生核能。





地球天然资源的分类






















类型 描述 例子
可更新资源 可以循环使用,或在短时间内可以再生的资源。 森林、土壤等。
不可更新资源 无法再生的资源,或需要极长时间才能形成的资源。 石油、天然气等。





一次能源与二次能源






















类型 定义 例子
一次能源 直接从自然界获取,未经过加工或转换的能源。 煤炭、石油、天然气、太阳辐射、风能、水流、生物质能、地热能等。
二次能源 由一次能源经过加工或转换得到的其他形式能源。 电能、汽油、柴油、酒精、煤气等。





常规能源



















特点 主要能源 能源储量估计 发展趋势
被大规模生产和广泛利用。 煤、石油、天然气、水能。
- 石油和天然气:估计只够开采 50年。

- 煤:估计还能开采 200年。

- 科技和社会向高效、清洁、低碳或无碳能源方向发展:

- 天然气、水能、核能、太阳能、风能等。





地底下的能源(化石燃料)



















类型 形成过程
由原生长在沼泽中的植物遗体,经过几万年的地质作用形成。
石油和天然气 由海生动植物因地壳变动埋在地底,经过几亿年的细菌分解、压力和温度作用形成。














10.2 不可更新能源


不可更新能源




























内容 描述
特点 世界上储量最多的化学燃料,广泛用于冶金和发电。
形成过程
- 由死于沼泽地区的植物演变而来:

1. 植物死亡后被更多植物、水和沉积物覆盖,隔绝氧气,避免迅速腐烂。

2. 细菌滋生破坏植物组织,逐渐形成煤。
开采方式
- 露天开采:煤层离地面较近时。

- 地下开采:煤层深埋地下时,需要向地下开掘矿井进行开采。





石油和天然气




石油



























内容 描述
特点 主要成分为碳氢化合物(Hydrocarbon),从油田开采出的原油为黄绿色或黑褐色的粘稠混合物。
形成过程
- 由数百年前海洋浮游生物残骸形成:

1. 浮游生物死亡后沉入海底。

2. 沉积物堆积在其残骸上,随着埋藏深度加深,温度和压力增高,最终形成石油。
开采方式 深埋地表下,通过声波测试定位后钻探开采。
液化石油气 (LPG) 石油加压液化后形成,主要成分是丁烷(Butane)。



天然气



























内容 描述
特点 由多种碳氢化合物组成的气体,主要成分是甲烷(Methane, CH4)。
形成过程 与石油的形成过程类似,由海洋生物残骸形成。
聚集位置 密度比石油小,通常聚集在储油层上方。
用途 可作为清洁燃料,广泛用于生活和工业领域。





分层蒸馏


定义:将原油加热成气体后,通过蒸馏塔分离出不同物质的过程。


原理:根据碳氢化合物分子大小、重量和沸点的不同进行分离:



  • 分子较小、沸点低的物质在蒸馏塔顶部凝结收集。

  • 分子较大、沸点高的物质在蒸馏塔底部凝结收集。


用途:收集的物质可直接使用或进一步化学加工,如制成汽油、柴油等燃料。






核能


特点:原子核在转变中释放的能量,能量密度极高。


能量对比:1克物质完全转化为能量,可释放 9×10¹³ 焦耳,相当于燃烧 300万公斤煤 所释放的热量。


问题:核能利用会产生大量放射性物质,对生态环境造成严重危害。






油页岩


特点:可燃的有机质沉积岩,是一种不可再生的化石能源,储量约10万亿吨,比煤多40%。


利用方式:油页岩经过低温干馏可提取页岩油,类似于原油,可进一步加工制成汽油、柴油或燃料油。














10.3 可更新能源


可更新能源





太阳能


特点:



  • 太阳内部剧烈的核反应释放出巨大的能量。

  • 地球上的生命主要依靠太阳辐射能,如绿色植物通过光合作用将其转化为化学能。


利用方式:



  • 光热转换:

    • 利用太阳能热水器加热水。

    • 使用太阳灶进行烹饪。



  • 光电转换:

    • 通过太阳能电池发电,用于路灯等设备。








水力发电


特点:通过利用河流的水流推动水轮机转动发电。


环境影响:



  • 河流改变:河流的自然流动方式被改变。

  • 生态破坏:

    • 鱼类可能被水轮机杀死。

    • 鱼类迁徙受到阻碍。








风能


特点:通过风力推动发电机转动,从而产生电能。


优点:清洁、可再生能源,无污染。


利用方式:广泛用于风力发电场。






生物质能


特点:绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能并储存在生物质内。


传统利用方式:



  • 例如:燃烧残枝落叶、木柴转化为光、热能,但能源利用效率低且污染环境。


现代科技利用方式:



  • 将生物质转化为清洁能源:

    • 甲烷气体:用于燃烧发电。

    • 燃料乙醇、生物柴油:可替代传统燃料。

    • 氢气:作为清洁能源。




生物柴油特点:



  • 物理性质与石化柴油接近,但化学组成不同,可用于拖拉机、卡车、船舶等交通工具。






地热能


特点:地表下炽热的液态岩浆释放出的能量。


利用方式:



  • 直接利用:

    • 温泉用于取暖、休闲等。



  • 发电:

    • 利用地热能驱动发电机发电。
















10.4 节约能源


节约能源





节约能源的方法























方法 具体内容
减少不必要的消耗

  • 减少能源浪费,如避免长时间开灯、空调温度适宜调节等。


提高能源效率

  • 技术改进:


    • 降低发动机摩擦,提高机械效率。

    • 使汽油燃烧更充分,减少能源损耗。



增加可更新能源的使用

  • 开发和利用更多的可再生能源,如:


    • 海浪发电

    • 潮汐发电

    • 海流发电

    • 温差发电








海洋能


特点:海洋能来源于太阳辐射与天体之间的引力,这些能量通过潮汐、波浪、温差和海流等形式储存在海洋中。




潮汐能


特点:涨潮和落潮之间的势能,可通过潮汐发电站转化为电能。




海浪能


特点:波浪运动中的动能和势能,可通过波浪发电机转化为电能。




海水温差能















特点 利用方式
海面水温较高,深层水温较低,因而储存着温差热能。 利用温差驱动热循环系统发电。



海流能


特点:海水流动产生的动能,可通过水轮机转化为电能。