大约在25,000——35,000年前，人类 最初的火（直到十八世纪），主要用 知道了不依靠天然火而自行取火。 来烧熟食物和取暖。 从此人类便开始利用来自自身以外的能 钻木取火是一种把机械能转化为热能 燃烧矿物燃料，饲养牲畜，制造机具， 的发现，使能源的开发进入了全新时代。 利用水流和风力等。蒸汽机的发明，电流 量，扩大自己对大自然的支配能力。 能量间的转换。 的方法。于是，人类掌握了不同形态的 水力 马力 风力 机械力为了完成许多自己 力所不及的 繁重任务， 人类开发了各种自 然力和非自然力。 太阳能集热器 风力涡轮机 地热工厂 重水反应堆 蒸汽机车 内燃机车 电动机车 磁悬浮列车 蒸汽机的发明， 引发了动力的 革命。 动力的历史 也是人类的文明史。 古代火箭 神舟5号 杨利伟 超轻飞机 喷气式飞机 神舟4号 1 能量：物质做功的本领。 2 能量的形态：热、机、生、化、 光、电、核 3 能量的转化：能源→热能→其他能 (η<100%) 4 能源：可以从中获得能量的资源。 基本概念 一 次 性 能 源 再生 能源 非再生 能源 二 次 能 源 能 源 风流水 海流 草木 太阳辐射 地震 火山喷发 地热 化石燃料（煤 石油天然气 油页岩）核燃料（U Th Pu D） 电能 氢能 汽油 柴油 火药 甲醇 丙烷 苯胺 硝化棉 硝化甘油 5 能源的分类: 燃料能源 燃料—产生热能或动力的可燃性物质。 有机可燃物(有机化合物+高分子化合物) 无机物可燃物+灰分(盐+氧化物）水份 元素组成：C、H、O、N、S、少量金属 成分： 分类: 物态 天然燃料 人造燃料 固体燃料木材泥煤褐煤油页岩木炭焦碳煤砖 液体燃料石油 汽油煤油柴油酒精 气体燃料天然气 煤气石油裂化气沼气 燃料的发热量 QDW—单位质量(对固、液)或单位体积(对 QDW=127CO%+108H2%+360CH4%+…+231H2S% 其中127、108、360 …231分别表示CO、 热量。单位：kJ·kg-1或kJ·m-3。 气体)的燃料完全燃烧时放出的最大 出的热量(10-2kJ·m-3)。 H2、CH4 、H2S在标准情况下完全燃烧放 燃烧热 燃烧—燃料与氧的化合反应。 燃烧焓—单位物质B完全燃烧反应的摩尔 单位：kJ·mol-1 符号：ΔcHm,B(T) 摩尔燃烧焓。 焓变。在标准状态下，即：标准 完全燃烧—可燃物分子中各元素都变成最 如：C→CO2 H→H2O S→SO2 这些氧化物或单质的 化学反应的焓变: )THνTH (ΔΣ)(Δ mBCBBmr -=y y yΔ cHm,B(T)=0 稳定的氧化物或单质。 P→P2O5 N→N2 ΔrHm(T)=y ΣνiΔcHm(反)y -ΣνiΔcHm(生)y ΔrHm(T)y反应物 生成物 燃烧产物 ΣνiΔcHm(T)y ΣνiΔcHm(T)y 所以： 根据盖斯定律： 求反应： COOH2(l)+2CH3OH(l)→(COOCH3)(l)+2H2O(l) yΔ rHm ={–246.05+2×(–726.64)–(–1677.78)}kJ·mol–1 = –21.55kJ·mol–1 例如：已知 ΔCHm(CH3OH,l)= –726.64kJ·mol–1y ΔCHm(COOCH3,l)= –1 677.78kJ·mol–1y yΔ CHm(COOH2,l)= –246.05kJ·mol–1 解: yΔ rHm 是多少？的 化学电源 一、原电池 1 锌-锰干电池 (–)Zn∣ZnCl2, NH4Cl(糊),MnO2∣C(+) 电极反应: (-) Zn(S)→Zn2++2e- (+)2MnO2 (S)+2NH4++2e-→ Mn2O3 (S)+2NH3 (g)+2H2O 电动势: 1.5V。若用KOH代替 NH4Cl制成碱性锌锰电池,可多次充、放电。 2 锌-汞电池 (–)Zn∣Hg∣KOH(含ZnO)∣HgO∣Hg(+) 电极反应: (–) Zn(Hg)+2OH--2e-→ZnO+H2O (+) HgO(S)+H2O+2e-→Hg (l)+2OH- 电动势: 1.34V。 电压稳定，可做成钮扣电池。 3 锂-铬酸银电池 (–)Li|LiClO4{含(C3H5)2CO3}|Ag2CrO4|Ag(+) 电池反应： (+) Ag2CrO4+2Li++2e-→2Ag+Li2CrO4 (–) Li-e-→Li+ 比能量高，稳定性好，可长期贮存。 4 Ni-Cd充电电池 二、蓄电池 又称可逆电池，二次电池。 1 铅蓄电池（铅酸蓄电池） (–) Pb| H2SO4 | PbO2 (+) 充、放电反应: Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 电压:2.0V， 电流0.5A。 可短时大电流放电。 若以 Na2SiO3+H2SO4 制成胶体铅蓄电 即可。 池，可无溢出。且无需调节密度，只加水 2 碱性蓄电池 ⑴铁-镍蓄电池 (–) Fe∣KOH（30%）∣Ni(OH)3 (+) 充放电反应： 特点是：体积小、抗震好。 ⑵ 银-锌蓄电池 (–)Zn∣KOH(40%)∣Ag2O∣Ag(+) 充放电反应： 特点是：电压平稳。 Fe+2Ni(OH)3 Fe(OH)3+Ni Zn+A2O+H2O Zn(OH)2+2Ag 三、燃料电池 1 氢-氧燃料电池 (–)C∣H2∣KOH(35%)∣O2∣C (+) 电池反应： (–)H2+2OH-–2e-→2H2O (+) O2+2H2O+4e-→4OH 2H2+O2 →2H2O总反应： 催化剂：Pt 、Pd、 Co2O3、Ag 2 甲醇-氧燃料电池 (–)Pt | CH3OH | H2SO4 | O2 | Pt(+) 电池反应: 2 3 O 2+6H++6e-→3H2O(+) CH3OH+H2O –6e-→CO2+6H+(–) 2 3CH 3OH+ O2 →CO2+2H2O总反应： 可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。 此外，还有很多类型的燃料电池。如： 锂-水燃料电池等。 例题：氢-氧燃料电池的电池反应： 1-×-= molkJ(298.15K) m 237.19GΔ y O2→H2OH2+ 21 试计算: ⑴该电池的标准电动势; ⑵燃烧1molH2可获得的最大功; ⑶若该燃料电池的转化率为83%，燃烧 1molH2 可获得多少电功? V964852 10237.19 3 m )(r ′ ′-=-= zF GE Δ yy⑴ ⑵ kJmmax 237.19=-= GW rΔ y ⑶ W = Wmax×83% =237.19kJ×83% =1.229V 解: =196.88kJ 1 氢燃料的特点: 无毒、无污染，最清洁； 燃料来自水，燃烧产物是水，可永远循 点火温度低，燃烧速度快，发热量大; H2可直接利用，也可间接使用，是方便 氢能 环使用； 的燃料。 2 氢燃料的制取 ① 电解水： H2O→H2+O2 ② 热分解水：H2O→H2+O2 催化剂：Ca、Br2、Hg等。 温度：730-1000℃ ③ 光分解水：H2O→H2+O2 催化剂：Ce4+，联吡啶合钌 ④ 光电分解水：以n型氧化钛为电极电 解水。 能量可用太阳能、电能。 3 氢燃料的贮存 H2密度小，运输和贮存都是很大问题。 1999年，我国研制 出的纳米碳管，是很 好的贮氢材料。 目前主要考虑贮氢金属。 在298K，200atm下碳纳米管 吸附氢（红色）的模拟图象。 要求高。 液氢，沸点低，常温下压力很大，对设备 核能 1 核裂变能—把重核分裂成两个中等质量的 核裂变反应是个连锁反应： 过程称核裂变。 核时，释放出大量的能，此 连锁反应 72 30Zn+ 160 62Sm 1 0 n+4 87 35Br+ 146 57La+ 1 0 n+3 142 56Ba+ 91 36Kr+ 1 0 n+3 90 37Rb+ 144 55Cs+ 1 0 n+2 235 92 U+ 1 0n 90 38Sr+ 147 56Ba+ 1 0 n+3 239 94Pu+ 1 0n 以铀-235为例，其裂变的几种方式： 钚-239也是核燃料： 天然U-235极少，主要是U-238。后者经 β-蜕变可转化为Pu-239。 核裂变时出现质量亏损，亏损的质量转 E=mc2 其中：Δm=m（生）-m（反） ΔE=Δm c2或 按此式1克U-235核裂变能为-8.1×107kJ 核裂变产物大多具有放射性，尤其Sr-90。 的安全措施。 所以原料和产物的贮存、处理都要有严格 相当于3吨煤。 化为能量，遵守爱因斯坦定律： 原子弹爆炸 氢 弹 实 验 2 核聚变能 核聚变—使很轻的核在异常高的温度下合 n10423121 +?+ HeHH 按爱因斯坦公式, ΔE= -1.698×109kJ.mol-1 1克氘(或氚)比1克铀产生的能量大得多。 氘可由重水中得到。海水中重水2×1020 成较重的核—核聚变时，放出更大的能量。 kg。核聚变资源极为丰富。 但是,核聚变需足够高的温度(109℃),足 秦山核电站 目前，人类已经实现了人工核聚变的实 爆炸。 够长的时间(1s)。而且要能人为控制不使 验室试验。 太阳上进行的反应是核聚变反应，质量 太阳能 之一，足够人类消耗。 每天接受的辐射能可达6×1018kJ，其万分 变化4×106吨，产生能量4×1023kJ。地球 太阳能的能量密度低；昼、夜、阴、雨 热能—如太阳能集热器； 电能—太阳能电池。 1 太阳能的直接利用 太阳能的利用可分： 变化较大，所以太阳能的贮存是个问题。 风能、地热、海浪、水流等都来自太 2 太阳能的间接利用 电，水力发电等。 阳能。如：光合作用，潮汐发电，风力发 《京都议定书》是关于减少温室气体排放 的国际条约。它于2005年7月开始生效。 在《京都议定书》生效前夕，国际社会特 别注意可再生能源，尤其是风能的利用。 当前，世界风电电价快速下降，巳日趋接 近燃煤发电成本中国风电成本约在0、5元以 上，随着中国风力发电装机的国产化和发电 的规模化，风电成本可望再降。此外，风电 外部成本几乎为零，甚至低于核电成本。 人类之所以特别重视新能源 的开发，是因为传统的能源已 经由于人类的肆意挥霍而面临 枯竭！ 所以，开源还要节流！这不 仅是能源的辩证法，也是一切 开发工作的基本原则。