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0w.net 杨长军（现代化学与中学化学作业）
能源是人类文明发展和进步的基础，它是指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。可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。众所周知，能源，尤其是一次能源中的不可再生资源，如煤、石油、天然气和核燃料等，对近代人类文明的发展起着决定性的作用，而且在尚未开发出成熟的新能源以前，人类社会的发展在相当长的时间里，还得依赖于这些已得到大规模经济开发和利用的、技术已相当成熟的常规能源，如煤炭、石油、天然气、水能和核能等。但因为一次能源中的煤、石油、天然气和核能等面临日益枯竭的状况，而且，在使用中会产生诸如“酸雨”、“温室效应”以及核污染等环境问题。所以如何更好地利用现有的这些能源以及加快开发洁净实用的新能源，如太阳能、氢能、核聚变能、海洋能、风能等，是人类面临的重要课题，长期以来人类为解决这些问题已做了不懈的努力，并已取得了重大的进展，而化学方法一直是解决这些难题的重要手段之一。。
首先介绍能源的种类，根据初始来源可把能源分为四大类：
与太阳有关的能源
与地球内部的热能有关的能源
与原子核反应有关的能源
与地球—月球—太阳相互联系有关的能源
1．与太阳有关的能源。太阳能除可直接利用它的光和热外，它还是地球上多种能源的主要源泉。目前，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。这部分能量为人类和动物界的生存提供了能源。煤炭、石油、天然气、油页岩等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能 、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。
2．与地球内部的热能有关的能源。地球是一个大热库，从地面向下，随着深度的增加，温度也不断增高。从地下喷出地面的温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球上的地热资源贮量也很大，按目前钻井技术可钻到地下10公里的深度，估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。
3．与原子核反应有关的能源。这是某些物质在发生原子核反应时释放的能量。原子核反应主要有裂变反应和聚变反应。目前在世界各地运行的440多座核电站就是使用铀原子核裂变时放出的热量。使用氘、氚、锂等轻核聚变时放出能量的核电站正在研究之中。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因此，只要解决核聚变技术，人类就将从根本上解决能源问题。实现可控制的核聚变，以获得取之不尽、用之不竭的聚变能，这正是当前核科学家们孜孜以求的。
4．与地球—月球—太阳相互联系有关的能源。地球、月亮、太阳之间有规律的运动，造成相对位置周期性的变化，它们之间产生的引力使海水涨落而形成潮汐能。与上述三类能源相比，潮汐能的数量很小，全世界的潮汐能折合成煤约为每年30亿吨，而实际可用的只是浅海区那一部分，每年约为6000万吨煤。
以上四大类能源都是自然界中现成存在的、未经加工或转换的能源。
下面介绍与化学有关的新能源
1.氢 能
“氢能”是指氢与氧化剂（如空气中的氧）发生化学反应放出的能量。氢是自然界最普遍存在的元素，在常温常压下呈气态，无色无味，熔点-259.3℃(13.9 K)、沸点-252.78℃(20.4 K)。在地球上平均6～7个原子中就有一个氢原子。除空气中含有少量氢气外，氢主要以化合物形态存在于水、全部酸和有机化合物中。所以，氢不能视为一次能源，而应看作是一种能源载体。氢是一种极为优越的新能源，其主要优点有：
·燃烧热值高：每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。
·清洁无污染：燃烧的产物是水，对环境无任何污染。
·资源丰富：氢气可以由水分解制取，而水是地球上最为丰富的资源。
·适用范围广：贮氢燃料电池既可用于汽车、飞机、宇宙飞船，又可用于其他场合供能。
开发氢能的关键技术包括两方面：一方面要解决制氢问题，另一方面要解决氢的贮存及运输问题。
2.核能开发利用的前景
(一).核电的潜力
核电的发电成本由运行费、基建费和燃料费三部分组成。核电站的运行费和火电站的差不多。但核电站运行可靠，每年利用小时最高达8000小时，平均约为6000小时。
据统计，1975～1978年，世界上有15座核电站的平均负荷因子达到80%以上，其中有8座达85%，德国一座压水堆核电站达到了最高为91.3%。核电站的燃料费比火电站的要低得多。对100万千瓦压水堆核电站，每年需要补充40吨燃料，其中只消耗1.5吨铀－235，其余的尚可收回。所以燃料运输是微不足道的。而对一座100万千瓦烧煤的发电厂，每年至少消耗2120000吨标准煤，平均每天要有一艘万吨轮，或三列40节车厢的火车运煤到发电厂。运输负担之沉重是可想而知的。
由于核电站系统的复杂和出于安全的考虑，它的基建费比火电高，对10～20万千瓦容量的轻水堆比火电约高100%，对100万千瓦容量的轻水堆约高60～70%。重水堆和气冷堆的基建费还要贵一些。但是，核电站的整个发电成本还是比火电便宜。
实践表明：核电站的基建费虽然高于火电，但燃料费要比火电低得多，而两者的运行费又相差不多，所以折算到每度电的发电成本，核电已普遍低于火电约15～50%。火电的燃料费约占发电成本的40～60%，而核电只占20～30%。同时，火电厂的发电成本受燃料价格的影响要比核电站大得多。
核电的经济性与安全性已是毋庸置疑。
就世界能源结构变化及核能的发展情况而言，初级能源的消耗结构在过去有了相当大的变化。石油消耗量自1973年发生第一次石油价格危机以来已由47.4%降至1989年的37%，而煤炭的消耗量在这一时期却由28.3%上升至31.l%，天然气从18.l%上升到23.l%，水力由1973年的5.4%增长到6.4%，核能由0.6%升至2.3%。2000年世界核电发电量25860亿千瓦时，占世界总发电量17.4%，自开工建设秦山核电站至今，中国境内已建成和在建的核电站已达6座共11台机组，总装机容量已占全国发电总量的2%以上。预计到2020年，我国核电装机容量将可能达到4000万千瓦，装机占总容量的4.2%，发电量2600亿千瓦时，占发电总量的6.1%。
世界能源结构的变化中，核能在今后仍是属于有发展前途的能源。90年代初开始，人们对核能的评价发生了有利于核能的转变，其原因是人们越来越认识到，没有核能的能源供应，从经济上和生态上都有一定的风险，人们也认识到存在着不断改进核电厂安全技术从而减少事故风险的可能。这与80年代的景况相比，有了很大的好转。那时，核电发展有所减缓，其基本原因有四个：一是资本主义世界经济衰退，电力需求的增长呈呆滞状态，有的国家甚至电力过剩；二是核电成本因其安全要求大为提高而上涨，核电站造价和运行费用增加；三是核电站运行安全问题；四是核废料后处理问题。这些问题对核电发展虽有一定制约作用，但没有构成对核电生命力的威胁。
（二）、核聚变——人类未来能源的希望
大家熟悉的原子弹是用裂变原理造成的，目前的核电站也是利用核裂变而发电。
核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。
核聚变要在近亿度高温条件下进行，地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。但是，用原子弹引发核聚变只能引发氢弹爆炸，却不适用于核聚变发电，因为电厂不需要一次惊人的爆炸力，而需要缓缓释放的电能。
关于核聚变的“点火”问题，激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。目前，世界上最大激光输出功率达100万亿瓦，足以“点燃”核聚变。除激光外，利用超高额微波加热法，也可达到“点火”温度。世界上不少国家都在积极研究受控热核反应的理论和技术，美国、俄罗斯、日本和西欧国家的研究已经取得了可喜的进展。
1991年11月9日17时21分，物理学家们用欧洲联合环形聚变反应堆在1．8秒种里再造了“太阳”，首次实现了核聚变反应，温度高达2×108℃，为太阳内部温度的10倍，产生了近２兆瓦的电能，从而使人类多年来对于获得充足而无污染的核能的科学梦想向现实大大靠近了一步。
我国自行设计和研制的最大的受控核聚变实验装置“中国环流器一号”，已在四川省乐山地区建成，并于1984年9月顺利启动，它标志着我国研究受控核聚变的实验手段，又有了新的发展和提高，并将为人类探求新能源事业做出贡献。美中两国科学家分别于1993年和1994年在这个领域的研究和实验中取得新成果。
目前，美、英、俄、德、法、日等国都在竞相开发核聚变发电厂，科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。
核聚变反应燃料是氢的同位素氘、氚及惰性气体３Ｈｅ（氦－３），氘和氚在地球上蕴藏极其丰富，据测，每１升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油，这就是说，１升海水可产生相当于300升汽油的能量。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克。
氘的发热量相当于同等煤的2000万倍，天然存在于海水中的氘有45亿吨，把海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，可供人类用上亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”，地球上的锂足够用１万年～２万年，我国羌塘高原锂矿储量占世界的一半。
科学家们发现，以３He为燃料的核聚变反应比氘氚聚变更清洁，效益更高，而且与放射性的氘氚不同的是３He是一种惰性气体，操作安全。获得过诺贝尔奖金的科学家博格、美国总统军备控制顾问保罗·尼采1991年曾撰文说，没有其它能源能像３He那样几乎无污染。
世纪初，人类将在月球上开采地球上不存在的３He矿藏，用于代替氚，从而使目前世界各地建造的实验性聚变反应可以攻克关键性的难关，使其走上商用成为可能。地球上并不存在天然的３He，作为核武器研究的副产品，美国每年生产大约20千克，但一台实验性反应堆就需要至少40千克。月球上的钛矿中蕴藏着丰富的３He资源。
月球表面的钛金属能吸收太阳风刮来的３He粒子。据估计，月球诞生的40亿年间，钛矿吸收了大约100万吨３He，其能量相当于地球上有史以来所有开发矿物燃料的10倍以上。1994年日本宣布了去月球开发３He的计划项目，日本比美国在３He聚变项目上的投资要多出100倍。
1986年起美国威斯康星州的麦迪逊就成了３He研究中心。只要从月球上运回25吨３He，就可满足美国大约一年的能源需要。目前，全球每年的能源消费大约1000万兆瓦，联合国1990年公布的数字，到2050年时将会猛增至3000万兆瓦，每年从月球上开采1500吨３He，就能满足世界范围内对能源的需求。
按上述开采量推算，月球上的３He至少可供地球上使用700年。但木星和土星上的３He几乎是取之不尽、用之不竭的。综上所述，可以看出，核聚变为人类摆脱能源危机展现了美好的前景。
三、核能的其它应用
核能主要用于发电，但它在其他方面也有广泛的应用。例如核能供热、核动力等。
核能供热是20世纪80年代发展起来的一项新技术，这是一种经济、安全、清洁的热耗，因而在世界上受到广泛重视。在能源结构上，用于低温（如供暖等）的热耗，占总热耗量的一半左右，这部分热多由直接燃煤取得，因而给环境造成严重污染。在我国能源结构中，近70％的能量是以热能形式消耗的，而其中约60％是120℃以下的低温热能，所以发展核反应堆低温供热，对缓解供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面都有重要意义。
核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺空气环境下的特殊动力；又因为它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。例如，它可作为火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇、航空母舰等的特殊动力。
4.化学电源
化学能的利用率高 ，“火力发电装置”包括大型火力发电站到小油机发电等，都遵循化学能——热能——机械能——电能的能量转换过程。“热发电装置”包括热电堆到热离子发电装置，都遵循化学能——热能——电能的转换过程。而化学电源则遵循化学能到电能的转换过程，即直接把化学能转变成电能，不经热——电的转换，化学能利用率高。
化学电源容易提高比能量， 比能量是指单位电源设备总质量所输出的总能量，其单位为W·h·kg –1，并可用下式表示：
比能量=W·H/（M1+M2）
式中W为功率，H为工作时间，W·H为电源输出的总能量，M1为固定设备的质量（kg），两者之和为电源设备的总质量。
对于化学电源，固定设备和活性物质是合为一体的。对同一类型的电池，M1和M2大致成正比，且均与总能量输出（W·H）大致成正比。因此，化学电源整个电源装置的比能量主要取决于所采用的电化学体系和结构材料，而与工作时间的关系不大。当然也有些化学电源的比能量与工作时间有关，如锌锰干电池、铅蓄电池等。当工作时间很长时，由于电池内部自放电而使活性物质显著损耗，比能量明显下降。
化学电源易小型化， 化学电源的功率可设计得很小，而火力发电和油发电都不行。因此，化学电源常作为耗功率几瓦以下的电源。另外，化学电源的体积也可设计得很小，到目前为止只有太阳能电池可与之相比。
4.太 阳 能
太阳是一个炽热的气体球，内部不停地进行着由氢聚变成氦的热核反应，不停地向宇宙空间释放出巨大的能量，这就是太阳能。地球上除了地热能和核能以外，所有能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源之母”。没有太阳能，就不会有人类的一切。
太阳能，因为它是一种辐射能，不带任何化学物质，是最洁净，最可靠的巨大能源宝库。经测算表明，太阳能释放出相当于10万亿千瓦的能量，而辐射到地球表面的能量，虽然只有它22亿分之一，但也相当于全世界目前发电总量的八万倍。
自古以来，人们就注意利用太阳能。早在几千年前，我们的祖先就曾用“阳燧” 这种简单的器具向太阳“取火”，开辟了人类利用太阳能的新时代。据说古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光，一举烧毁了敌人的帆船队。然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，直到最近的二、三十年内才真正开始。
1945年，美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的新纪元。
5.生物质能
生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程，光合作用是生命活动中的关键过程，植物光合作用的简单过程如下：
太阳能
水+二氧化碳 ——→ 有机体+氧
植物
生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质所含能量的多少与下列诸因素有密切的关系：品种、生长周期、繁殖与种植方法、收获方法、抗病抗灾性能、日照的时间与强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等，在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用是效率最低的，光合作用的转化率约为0.5％～5％，据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5％～2.5％，整个生物圈的平均转化率可达3％～5％。生物质能潜力很大，世界上约有250000种生物，在提供理想的环境与条件下，光合作用的最高效率可达8～15%，一般情况下平均效率为0.5%左右。
据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011t，含能量达3×1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。
生物能有以下特点：
优点：
· 提供低硫燃料；
· 提供廉价能源(在某些条件下)；
· 将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；
· 与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。
缺点：
·小规模利用；
·植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；
·单位土地面积的有机物能量偏低；
·缺乏适合栽种植物的土地；
·有机物的水分偏多(50%～95%)。
生物能分为两类：传统的和现代的。
现代生物能是指那些可以大规模用于代替常规能源亦即矿物类固体、液体和气体燃料的各种生物能。巴西、瑞典、美国的生物能计划便是这类生物能的例子。现代生物质包括：木质废弃物（工业性的）、甘蔗渣（工业性的）、城市废物、生物燃料（包括沼气和能源型作物）。
传统生物能主要限于发展中国家、广义来说它包括所有小规模使用的生物能，但它们也并不总是置于市场之外。第三世界农村烧饭用的薪柴便是其中的典型例子。传统生物质包括：家庭使用的薪柴和木炭、稻草，也包括稻壳、其他的植物性废弃物、动物的粪便。
生物质能源的来源
·薪柴：至今仍为大多发展中国家的重要能源，仍需依赖柴薪来满足大部分能量需求.不过由于日益增加薪柴的需求，将导致林地日减，需适当规划与植林方可解决这一问题。
·农作物残渣：农作物残渣留在耕地上也有水土保持与土壤肥力固化的功能，因此，农作物残渣不可毫无限制地供作能源转换。
·牲畜粪便：牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，会产生甲烷和可做肥料使用之淤渣。若用小型厌氧消化糟，仅需三至四头牲畜的粪便即能满足发展中国家中小家庭每天能量的需要。
·制糖作物：对具有广大未利用土地的国家而言，如将制糖作物转化成乙醇将可成为一种极富潜力的生物能。制糖作物最大的优点，在于可直接发酵变成乙醇。
·水生植物：如一些水生藻类，主要包括海洋生的马尾藻、巨藻、海带等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。利用水生植物化成燃料也为增加能源供应方法之一。
·光合成微生物：如硫细菌、非硫细菌等等。
·城市垃圾：将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热解体处理而制成燃料使用。
·城市污水：一般城市污水约含有0.02～0.03%固体与99%以上的水分。下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。 来
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