能源化学

1能源化学第一章能源简介1能源的分类2能源利用史3能源的作用4能源储量及消费5中国能源的发展6能源化学7能源与材料8能源与环境9能源发展趋势第一节能源的分类1能（量）：能量是物质运动的一种度量，是物体做功的能力。对应于物质的不同的运动形态，能量也有不同的形式。各种运动形态是可以相互转化的，所以各种形式的能量之间也能够相互转换。能量是物质的属性，任何物质都具有能量，能本身不是物质，而是指物质的一种状况或状态。（2）能的形式：机械能（动能、势能）、热能、化学能、电能、光能、核能（3）能量的性质：状态性；可加性；传递性；转换性；做功性；贬值性。2能源国际上，衡量一个国家现代化的程度①能源的人均占有量；②能源构成；③能源使用率；④能源对环境的影响。（1）什么是能源？能源和能量既有联系又有区别，能量来自能源，但能量本身是量度物质运动形式和量度物体做功的物理量，包括机械能、热能、电能、电磁能、化学能、原子能等。能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。《科学技术百科全书》能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。《大英百科全书》能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。《能源百科全书》（2）能源的形式：石油、天然气、煤、生物质能、太阳能、风力能、地热能、水力能、核能、丙烷（3）能源的分类①能源按其形成方式分为：一次能源：直接从自然界取得的以自然形态存在的能源。如：煤炭、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、核能、生物质能、化学能等。二次能源：由一次能源经过加工或转换得到的能源。如：焦炭、汽油、重油、煤气、热能、机械能、电能等。二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。一次能源地球上的一次能源来源于三个方面：1)地球以外天体中的太阳辐射能（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）。2)地球本身蕴藏的能量资源，诸如地热能、火山能、地震能以及核燃料（铀、钍、钚）等。3)地球和其他天体相互作用而产生的能量。如天体运动中，太阳和月亮对地球表面的水有吸引力作用而产生的潮汐能。这三类能源中，太阳辐射能是最主要的，也是人类利用最多的。2能源结构一次能源第一类能源（来自地球以外）太阳辐射能煤、石油、油页岩、天然气、草木燃料、沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。风、流水、海流、波浪、海洋热能、直接太阳能宇宙射线、流星和其它星际物质带进地球大气的能量第二类能源（来自地球内部）地球热能地震，火山活动，地下热水和地热蒸气，（包括温泉和沸泉），热岩层原子能铀，钍，硼，氘第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）潮汐能二次能源电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等。②一次能源按其是否能够再生的性质分为：可再生能源：可再生能源是指使用后仍能更新或是再生的能源；如：太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、海洋能、生物质能等。取之不尽，用之不竭不可再生能源：不可再生能源是有限的能源，开采消耗后，短期内无法恢复的能源；如煤炭、石油、天然气、核燃料等。可再生能源的主要类型和特点：可再生，无污染或污染小，地区分布广，适合就地开发利用。③能源按其使用性质不同可分为：含能体能源：指能够提供能量的物质能源，即储存起来的能源，其特点是可以保存且可运输，如草木燃料、矿物燃料、核燃料、高位水库中的水等。过程性能源：指能够提供能量的物质运动形式，它不能直接储存，存在于“过程”之中，如太阳能、风能、水能、潮汐能、电能等。④能源按其使用的成熟程度和技术状况可分为：常规能源：技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的一次能源。如煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等。新能源：一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源。如太阳能、生物质能、氢能、地热能、核聚变能等。⑤能源按其形态方式分为：化石能源、（矿物能源）如煤炭、石油、天然气。非化石能源（替代性能源）如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。⑥能源按其性质可分为：燃料能源矿物燃料（煤、石油、天然气等）生物燃料（柴草、木材、沼气、有机废弃物等）化工燃料（丙烷、甲醇、酒精、废旧塑料制品等）核燃料（铀、钍、钚、氘等）非燃料能源多数具有机械能，如风能、水能、潮汐能、波浪能等，有的含有热能，如地热能和太阳能等。⑦根据能源是否流通分为：商品能源：指经过流通环节大量消费的能源，主要有煤炭、石油、天然气、电力等。非商品能源：指不经流通环节而自产自用的能源，如农户自产自用的薪秸秆，牧民自用的牲畜粪便，风能、太阳能等。（在农村地区开发的为生产和生活使用的能源又叫做农村能源）3⑧根据能源消耗后是否造成环境污染可分为：清洁能源（绿色能源）：利用现代技术开发的干净、无污染的新能源。如太阳能、氢能、风能、潮汐能等。“绿色能源”有两层含义：利用现代技术开发干净、无污染的新能源，如太阳能、氢能、风能、潮汐能等；化害为利，将发展能源同改善环境紧密结合，充分利用先进的设备与控制技术来利用城市垃圾、淤泥等废物中所蕴藏的能源，以充分提高这些能源在使用中的利用率。非清洁能源：包括煤炭、石油等。⑨按能源载体同地球构成关系划分地壳能源：地壳能源是指在地球演变过程中，经过漫长的地质年代逐渐自然形成的载能物体，如煤炭、石油、天然气、油页岩等。它们的形成与地壳运动、海水进退、气候变化、生物兴衰等息息相关。地壳外能源：地壳外能源是指除地壳能源以外的能源，它的形成不是地壳物质，如太阳能、风能等。（4）分布式能源：分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，既可独立运行，也可并网运行。分布式能源是相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量（数千瓦至50兆瓦）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统。3能源的评价储量能量密度储能的可能性与供能的连续性能源的地理分布开发费用和利用能源的设备费用运输费用与损耗能源的可再生性能源的品位对环境的影响4有关能源的国际组织国际能源机构（国际能源署、国际能源组织）InternationalEnergyAgency,IEA世界能源理事会（世界能源委员会）WorldEnergyCouncil,WEC国际原子能机构InternationalAtomicEnergyAgency,IAEA世界石油大会（世界石油理事会）WorldPetroleumCongress,WPC石油输出国组织OrganizationofthePetroleumExportingCountries简称欧佩克（OPEC）或油组政府间气候变化专业委员会IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC经济合作与发展组织OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment,OECD5能源计量单位能源计量单位可以有3种表示方法1)能量单位：用热功单位来表示，如焦耳（J）、卡（cal）、千瓦小时（kWh）；英国热能单位（BTU）2)当量单位：用能源的当量值表示，常见的如煤当量和油当量。3)能源的实物量单位：用能源的实物量来表示，如煤用吨（t），石油用桶（bbl），天然气用立方米（m3）。6温度表示方法：华氏温度、摄氏温度、开尔文温度95C32华氏温度＝摄氏温度3259F摄氏温度＝华氏温度15.273＝摄氏温度开尔文温度K第二节能源利用史人类对于能源的开发利用大致经历了四个历史时期：1)古代柴草时期；2)新石器时代晚期的煤炭时期；3)19世纪中叶的石油时期；4)始于20世纪中叶的新能源时期。世界能源结构发生的第一次转变：薪柴煤炭（英国产业革命）世界能源结构发生的第二次转变：煤炭石油和天然气（管线焊接技术）世界能源结构发生的第三次转变：石油和天然气可再生能源（1973年第一次石油危机）4第三节能源的作用能源：是人类生存和发展的重要物质基础；是人类从事各种经济活动的原动力；是人类社会经济发展水平的重要标志。第四节能源储量及消费1能源储量：世界能源消费结构变化（%）2能源消费能源强度：亦称能源消费强度，常用单位产值能耗或单位产品能耗表示。单位产值能耗：是指一个国家或地区、部门或行业单位产值一定时间内消耗的能源量，通常以吨（或公斤）油当量（或煤当量）／美元来表示。一个国家或地区的能源强度，通常以单位国内生产总值耗能量来表示。单位产品能耗：是以实物量为单位的能源消费量与对应的产品量之比。能源强度反映经济对能源的依赖程度，受一系列因素的影响，包括经济结构、经济体制、工艺水平、生产规模、技术水平、能源结构、人口等。世界能源消费现状及特点1.受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加2.世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国家3.世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大4.世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大第五节中国能源的发展中国能源发展回顾：1949年新中国成立时，全国一次能源的生产总量只有2400万吨标准煤。中国能源生产总量及其构成中国能源消费结构中国的能源特点：“以煤为主，多能互补”1996年，中国成为全球第二大一次能源消费国，同时也是全球第二大能源生产者。中国的能源发展现状：能源资源总量丰富：煤炭储量约占世界总储量的12.6%，居第3位。水力资源占世界总量的30%，居第1位，原油占2.4%，天然气仅占1.2%。人均能源资源拥有量较低、分布不均：人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为1/l0。人均能源消费量低、单位产值能耗高（即能源消费强度，是指单位GDP所投入的能源量。）能源资源开发难度大，能源利用效率低能源安全面临威胁1993年开始成为石油净进口国，2008年石油进口依存度（净进口量与消费量之比）接近52%。能源消费以煤为主，环境压力加大，新能源与可再生能源有待大力发展中国能源发展战略：坚持节约优先、立足国内、多元发展、依靠科技、保护环境、加强国际互利合作，努力构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展。第六节能源化学1能量转化化学反应中的能量变化通常主要表现为热量的变化：放出热量或吸收热量。如果反应放出的能量大于吸收的能量，则此反应为放热反应。如燃烧反应、中和反应、化合反应、金属和酸的反应；如果反应放出的能量小于吸收的能量，则此反应为吸热反应。如分解反应、以C、H2、CO为还原剂的反应、铵盐与固体碱的反应。在化学反应中，拆散化学键需要吸收能量，形成新的化学键放出能量。热功当量：1cal=4.1840J5热力学第一定律：能量可以从一种形式转化为另一种形式．在转化过程中能量既不会消失也不会增加。热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。－克劳修斯（Clausius）不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。－开尔文（Kelvin）能量质量的贬值性：热力学第二定律认为，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递，在传递过程中总会有一部分能量成为热能释放出去。使用能量的过程中能量质量下降是能量的基本属性。能量的两个重要特性：能量数量的守恒性；能量质量的贬值性能量利用就是利用能量的质量，按质用能－尽可能使高质量的能尽其用和做到合理用能2能量储存能量储存的主要指标储能密度储存过程的能量损耗储存装置的经济性储能和取能的速率寿命（重复使用的次数）对环境的影响能量储存方式：按储存的能的形式可分为电化学能（如传统铅酸电池、液流电池、燃料电池）电能（如超级电容器（supercapacitor））动能（如飞轮（flywheel））势能（如压缩空气储能系统（CAES）、抽水蓄能（pumpedhydro））化学能（如氢储能系统（Hydrogen-based））热