《化學(xué)反應(yīng)中的能量變化》擴展資料

《化學(xué)反應(yīng)中的能量變化》擴展資料地?zé)崮苋祟惡茉缫郧熬烷_始利用地?zé)崮?，例如利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建造農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖及烘干谷物等。但真正認(rèn)識地?zé)豳Y源并進(jìn)行較大規(guī)模的開發(fā)利用卻是始于20世紀(jì)中葉。地?zé)崮艿睦每煞譃榈責(zé)岚l(fā)電和直接利用兩大類。地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮?。它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。地?zé)崮苁侵钙鋬α勘饶壳叭藗兯玫目偭慷嗪芏啾?，而且集中分布在?gòu)造板塊邊緣一帶、該區(qū)域也是火山和地震多發(fā)區(qū)。如果熱量提取的速度不超過補充的速度，那么地?zé)崮鼙闶强稍偕摹５責(zé)崮茉谑澜绾芏嗟貐^(qū)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。據(jù)估計，每年從地球內(nèi)部傳到地面的熱能相當(dāng)于100PW·h。不過，地?zé)崮艿姆植枷鄬碚f比較分散，開發(fā)難度大。地?zé)崮芫C述地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮堋Ｋ鹪从诘厍虻娜廴趲r漿和放射性物質(zhì)的衰變。地下水的深處循環(huán)和來自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。在有些地方，熱能隨自然涌出的熱蒸汽和水而到達(dá)地面，自史前起它們就已被用于洗浴和蒸煮。通過鉆井，這些熱能可以從地下的儲層引入水池。房間、溫室和發(fā)電站。這種熱能的儲量相當(dāng)大。據(jù)估計，每年從地球內(nèi)部傳到地面的熱能相當(dāng)于100PW·h。不過，地?zé)崮艿姆植枷鄬碚f比較分散，開發(fā)難度大。實際上，如果不是地球本身把地?zé)崮芗性谀承┑貐^(qū)（一般來說是那些與地殼構(gòu)造板塊的界面有關(guān)的地區(qū)），用目前的技術(shù)水平是無法將地?zé)崮茏鳛橐环N熱源和發(fā)電能源來使用的。嚴(yán)格地說，地?zé)崮懿皇且环N“可再生的”資源，而是一種像石油一樣，可開采的能源，最終的可回采量將依賴于所采用的技術(shù)。將水（傳熱介質(zhì)）重新注回到含水層中可以提高再生的性能，因為這使含水層不枯竭。然而在這個問題上沒有明確的結(jié)論，因為有相當(dāng)一部分地?zé)狳c可采用某種方式進(jìn)行開發(fā)，讓提取的熱量等于自然不斷補充的熱量。實事求是地講，任何情況下，即使從技術(shù)上來說地?zé)崮懿皇强稍偕茉?，但全球地?zé)豳Y源潛量十分巨大，因此問題不在于資源規(guī)模的大小，而在于是否有適合的技術(shù)將這些資源經(jīng)濟開發(fā)出來。地?zé)崮苁侵纲A存在地球內(nèi)部的熱能。其儲量比目前人們所利用的總量多很多倍，而且集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶、該區(qū)域也是火山和地震多發(fā)區(qū)。如果熱量提取的速度不超過補充的速度，那么地?zé)崮鼙闶强稍偕?。高壓的過熱水或蒸汽的用途最大，但它們主要存在于干熱巖層中，可以通過鉆井將它們引出。

地?zé)崮茉谑澜绾芏嗟貐^(qū)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。老的技術(shù)現(xiàn)在依然富有生命力，新技術(shù)業(yè)已成熟，并且在不斷地完善。在能源的開發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)讓方面，未來的發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)大。地?zé)崮苁翘焐蛢Υ嬖诘叵碌模皇芴鞖鉅顩r的影響，既可作為基本負(fù)荷能使用，也可根據(jù)需要提供使用。地?zé)崮艿睦米怨艜r候起人們就已將低溫地?zé)豳Y源用于浴池和空間供熱，近來還應(yīng)用于溫室、熱力泵和某些熱處理過程的供熱。在商業(yè)應(yīng)用方面，利用干燥的過熱蒸汽和高溫水發(fā)電已有幾十年的歷史。利用中等溫度（100℃地?zé)崮艿膩碓吹厍虻膬?nèi)部是一個高溫高壓的世界，是一個巨大的“熱庫”，蘊藏著無比巨大的熱能。地球內(nèi)部蘊藏的熱量有多大呢？假定地球的平均溫度為2000℃，地球的質(zhì)量為6x1024kg，地球內(nèi)部的比熱為1.045J／g·℃31J。即便是在地球表層10km厚這樣薄薄的一層，所貯存的熱量就有102525J，相當(dāng)于4948X1012t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時所放出的熱量。如果把地球上貯存的全部煤炭燃燒時所放出的熱量作為100來計算，那么，石油的貯量約為煤炭的8%，目前可利用的核燃料的貯量約為煤炭的15％，而地?zé)崮艿目傎A量則為煤炭的17000萬倍。可見，地球是一個名副其實的巨大“熱庫”，我們居住的地球?qū)嶋H上是一個龐大的“地球內(nèi)部的溫度這樣高，它的熱量是從哪里來的呢？多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，其熱源乃是長壽命的放射性同位素進(jìn)行的熱核反應(yīng)（另一種觀點認(rèn)為，地球最初是由一團高熱物質(zhì)組成，是從太陽派生出來的一個行星，經(jīng)過四五十億年以后，表面逐漸冷卻，而形成地殼。）。地球物質(zhì)中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量是地?zé)岬闹饕獊碓础７派湫栽赜锈?38、鈾235、釷232和鉀40等。放射性元素的衰變是原子核能的釋放過程。放射性物質(zhì)的原子核，無需外力的作用，就能自發(fā)的放出電子和氦核、光子等高速粒子并形成射線。在地球內(nèi)部，這些粒子和射線的動能和輻射能，在同地球物質(zhì)的碰撞過程中便轉(zhuǎn)變成了熱能。地球內(nèi)部的熱不斷向太空釋放。這種地球物理現(xiàn)象就叫大地?zé)崃?。由于地球的表面積很大，單位面積內(nèi)放出的熱量極其微小，所以全球平均大地?zé)崃髁坎⒉淮?，以致人們很難直接感覺出來。但是，其總量卻非常大，而且不同地區(qū)的大地?zé)崃髁渴遣煌?，熱流高的地區(qū)地?zé)豳Y源較豐富。目前一般認(rèn)為，地下熱水和地?zé)嵴羝饕怯稍诘叵虏煌钐幈粺釒r體加熱了的大氣降水所形成的。地殼中的地?zé)嶂饕總鲗?dǎo)傳輸，但地殼巖石的平均熱流密度低，一般無法開發(fā)利用，只有通過某種集熱作用，才能開發(fā)利用。例如鹽丘集熱，常比一般沉積巖的導(dǎo)熱率大2～3倍。大盆地中深埋的含水層，也可大量集熱，每當(dāng)鉆探打到這種含水層，就會出過大量的高溫?zé)崴?，這是天然集熱的常見形式。巖漿侵入地殼淺處，是地殼內(nèi)最強的熱傳導(dǎo)形式。侵人的巖漿體形成局部高強度熱源，為開發(fā)地?zé)崮芴峁┝擞欣麠l件。巖漿侵入后，冷卻的時間相當(dāng)長，一般受下列因素影響：侵入的巖漿總體積；侵入深度或巖漿體頂面的埋深；侵入巖漿的性質(zhì)，酸性巖漿溫度較低。約650～850℃，基性巖漿溫度較高，1100侵入體的形狀有無水熱系統(tǒng)。據(jù)科學(xué)家推測，一個埋深為4公里的酸性巖漿侵入體，體積為1000公里，初始溫度為850℃，若要使侵入體的中心溫度冷卻到300在地殼中，地?zé)岬姆植伎煞譃槿齻€帶，即：可變溫度帶、常溫帶和增溫帶?？勺儨囟葞?，由于受太陽輻射的影響，其溫度有著晝夜、年份、世紀(jì)、甚至更長的周期性變化，其厚度一般為15～20m；常溫帶，其溫度變化幅度幾乎等于零，深度一般為20～30m；增溫帶，在常溫帶以下，溫度隨深度增加而升高，其熱量的主要來源是地球內(nèi)部的熱能。地球每一層次的溫度狀況是很不相同的。在地殼的常溫帶以下，地溫隨深度增加而不斷升高，越深越熱。這種溫度的變化，以“地?zé)嵩鰷芈省眮肀硎?，也叫做“地溫梯度”。各地的地?zé)嵩鰷芈?，差別是很大的，平均地?zé)嵩鰷芈蕿槊考由?00m，溫度升高8℃。到達(dá)一定的溫度后，地?zé)嵩鰷芈视缮隙轮饾u變小。根據(jù)各種資料推斷，地殼底部至地幔上部的溫度大約1100～1300℃，地核的溫度大約在2000～5000℃之間。假如我們按照正常的地?zé)嵩鰷芈蕘硗扑悖?0按照地?zé)嵩鰷芈实牟顒e，我們把陸地上的不同地區(qū)劃分為“正常地?zé)釁^(qū)”和“異常地?zé)釁^(qū)”。地?zé)嵩鰷芈式咏?℃的地區(qū)，稱為“正常地?zé)釁^(qū)。遠(yuǎn)超過3℃的地區(qū)，稱為“異常地?zé)釁^(qū)人們要想獲得高溫地下熱水或蒸汽，就得去尋找那些由于某些地質(zhì)原因，破壞了地殼的正常增溫，而使地殼表層的地?zé)嵩鰷芈蚀蟠筇岣吡说摹爱惓５責(zé)釁^(qū)”。“異常地?zé)釁^(qū)”的形成，一種是產(chǎn)生在近代地殼斷裂運動活躍的地區(qū)，另一種則是主要形成于現(xiàn)代火山區(qū)和近代巖漿活動區(qū)。除此兩種之外，也還有由于其它原因所形成的局部“異常地?zé)釁^(qū)”。在“異常地?zé)釁^(qū)”，如果具備良好的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，就能夠形成有大量熱水或蒸汽的具有重大經(jīng)濟價值的，“熱水田”或“蒸汽田”統(tǒng)稱為“地?zé)崽铩薄Ｄ壳笆澜缟弦阎囊恍┑責(zé)崽镏?，有的在?gòu)造上同火山作用有關(guān)，另外也有一些則是產(chǎn)生在火山中心地區(qū)的斷塊構(gòu)造上。風(fēng)能9MW，其中可利用的風(fēng)能為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。

人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前，但數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發(fā)達(dá)國家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。

風(fēng)能特點風(fēng)能就是空氣流動所產(chǎn)生的動能。大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速9～10m/s的5級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積上約有10kg。風(fēng)速20m／s的9級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積可達(dá)50kg左右。臺風(fēng)的鳳速可達(dá)50～60m／s，它對每平方米物體表面上的壓力，竟可高達(dá)200kg以上。洶涌澎湃的海浪，是被風(fēng)激起的，它對海岸的沖擊力是相當(dāng)大的，有時可達(dá)每平方米20～30t的壓力，最大時甚至可達(dá)每平

風(fēng)不僅能量是很大的，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山巖發(fā)生侵蝕，造成沙漠，形成風(fēng)海流，它還可在地面作輸送水分的工作，水汽主要是由強大的空氣流輸送的，從而影響氣候，造成雨季和旱季。專家們估計，風(fēng)中含有的能量，比人類迄今為止所能控制的能量高得多。全世界每年燃燒煤炭得到的能量，還不到風(fēng)力在同一時間內(nèi)所提供給我們的能量的1％。可見，風(fēng)能是地球上重要的能源之一。

合理利用風(fēng)能，既可減少環(huán)境污染，又可減輕越來越大的能源短缺的壓力。自然界中的風(fēng)能資源是極其巨大的。據(jù)世界氣象組織估計，整個地球上可以利用的風(fēng)能為2X107MW。為地球上可資利用的水能總量的10倍。

風(fēng)能與其它能源相比，既有其明顯的優(yōu)點，又有其突出的局限性。風(fēng)能具有四大優(yōu)點和三大弱點。四大優(yōu)點是：蘊量巨大；可以再生；分布廣泛；沒有污染。三大弱點是：1、密度低。

這是風(fēng)能的一個重要缺陷。由于風(fēng)能來源于空氣的流動，而空氣的密度是很小的，因此風(fēng)力的能量密度也很小，只有水力的1／816。從下表可以看出，在各種能源中，風(fēng)能的含能量是極低的，給其利用帶來一定的困難。能源類別風(fēng)能

（3m/s）水能

（流速3m/s）波浪能

（波高2m）潮汐能

（潮差10m）太陽能能流密度

[kw/m2]20301002、不穩(wěn)定。由于氣流瞬息萬變，因此風(fēng)的脈動、日變化、季變化以至年際的變化都十分明顯，波動很大，極不穩(wěn)定。3、地區(qū)差異大。由于地形的影響，風(fēng)力的地區(qū)差異非常明顯。一個鄰近的區(qū)域，有利地形下的風(fēng)力，往往是不利地形下的幾倍甚至幾十倍。海洋能108km108km8km，占71％。以海平面計，全部陸地的平均海拔約為840m，而海洋的平均深度卻為

海洋能簡介108km108km8km，占71％。以海平面計，全部陸地的平均海拔約為840m，而海洋的平均深度卻為海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐與潮流能來源于月球、太陽引力，其他海洋能均來源于太陽輻射，海洋面積占地球總面積的71%，太陽到達(dá)地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分轉(zhuǎn)化為各種形式的海洋能。海水溫差能是熱能，低緯度的海面水溫較高，與深層冷水存在溫度差，而儲存著溫差熱能，其能量與溫差的大小和水量成正比；潮汐、潮流，海流、波浪能都是機械能，潮汐能是地球旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能量通過太陽和月亮的引力作用而傳遞給海洋的，并由長周期波儲存的能量，潮汐的能量與潮差大小和潮量成正比；潮流、海流的能量與流速平方和通流量成正比；波浪能是一種在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的，并以位能和動能的形式由短周期波儲存的機械能，波浪的能量與波高的平方和波動水域面積成正比；河口水域的海水鹽度差能是化學(xué)能，入海徑流的淡水與海洋鹽水間有鹽度差，若隔以半透膜，淡水向海水一側(cè)滲透可產(chǎn)生滲透壓力，其能量與壓力差和滲透流量成正比。因此各種能量涉及的物理過程開發(fā)技術(shù)及開發(fā)利用程度等方面存在很大的差異。這些不同形式的能量有的已被人類利用，有的已列入開發(fā)利用計劃，但人們對海洋能的開發(fā)利用程度至今仍十分低。盡管這些海洋能資源之間存在著各種差異，但是也有著一些相同的特征。每種海洋能資源都具有相當(dāng)大的能量通量：潮汐能和鹽度梯度能大約為2TW；波浪能也在此量級上；而海洋熱能至少要比此大兩個數(shù)量級。但是這些能量分散在廣闊的地理區(qū)域，因此實際上它們的能流密度相當(dāng)?shù)?，而且這些資源中的大部分均蘊藏在遠(yuǎn)離用電中心區(qū)的海域。因此只能有一小部分海洋能資源能夠得以開發(fā)利用。全球海洋能的可再生量很大。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年出版物的估計數(shù)字，五種海洋能理論上可再生的總量為766億千瓦。其中溫差能為400億千瓦，鹽差能為300億千瓦，潮汐和波浪能各為30億千瓦，海流能為6億千瓦。但如上所述是難以實現(xiàn)把上述全部能量取出，設(shè)想只能利用較強的海流、潮汐和波浪；利用大降雨量地域的鹽度差，而溫差利用則受熱機卡諾效率的限制。因此，估計技術(shù)上允許利用功率為64億千瓦，其中鹽差能30億千瓦，溫差能20億千瓦，波浪能10億千瓦，海流能3億千瓦，潮汐能1億千瓦（估計數(shù)字）。海洋能的強度較常規(guī)能源為低。海水溫差小，海面與500～1000米深層水之間的較大溫差僅為20℃左右；潮汐、波浪水位差小，較大潮差僅7—10米，較大波高僅3米；潮流、海流速度小，較大流速僅4～7節(jié)。即使這樣，在可再生能源中，海洋能仍具有可觀的能流密度。以波浪能為例，每米海岸線平均波功率在最豐富的海域是50千瓦，一般的有5～6千瓦；后者相當(dāng)于太陽能流密度1千瓦／米2）。又如潮流能，最高流速為3米／秒的舟山群島潮流，在一個潮流周期的平均潮流功率達(dá)4.5千瓦／米2。海洋能作為自然能源是隨時變化著的。但海洋是個龐大的蓄能庫，將太陽能以及派生的風(fēng)能等以熱能、機械能等形式蓄在海水里，不象在陸地和空中那樣容易散失。海水溫差、鹽度差和海流都是較穩(wěn)定的，24小時不間斷，晝夜波動小，只稍有季節(jié)性的變化。潮汐、潮流則作恒定的周期性變化，對大潮、小潮、漲潮、落潮、潮位、潮速、方向都可以準(zhǔn)確預(yù)測。海浪是海洋中最不穩(wěn)定的，有季節(jié)性、周期性，而且相鄰周期也是變化的。但海浪是風(fēng)浪和涌浪的總和，而涌浪源自遼闊海域持續(xù)時日的風(fēng)能，不象當(dāng)?shù)靥柡惋L(fēng)那樣容易驟起驟止和受局部氣象的影響。海洋能的類型海洋能的表現(xiàn)形式多種多樣，通常包括：潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。氫能簡介二次能源是聯(lián)系一次能源和能源用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“合能體能源”。當(dāng)今電能就是應(yīng)用最廣的“過程性能源”；柴油、汽油則是應(yīng)用最廣的“合能體能源”。由于目前“過程性能源”尚不能大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機等機動性強的現(xiàn)代交通運輸工具就無法直接使用從發(fā)電廠輸出來的電能，只能采用像柴油、汽油這一類“含能體能源”。可見，過程性能源和含能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。隨著，人們將目光也投向?qū)で笮碌摹昂荏w能源”，作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產(chǎn)出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風(fēng)能、水力、潮汐能、地?zé)崮?、核燃料等均可直接生產(chǎn)電能。而作為二次能源的汽油和柴油等則不然，生產(chǎn)它們幾乎完全依靠化石燃料。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規(guī)能源危機的出現(xiàn)、在開發(fā)新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。

氫位于元素周期表之首，它的原子序數(shù)為1，在常溫常壓下為氣態(tài)，在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。作為能源，氫有以下特點：（l）所有元素中，氫重量最輕。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為/l；在-252.7°C時，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓，液氫就可變?yōu)榻饘贇洹＃?）所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍，因此在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體。（3）氫是自然界存在最普遍的元素，據(jù)估計它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大90O0倍。（4）除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142,351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍。（5）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。（6）氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當(dāng)處理也不會污染環(huán)境巨，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。（7）氫能利用形式多，既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機中