第七章C 能的转化的方向性能源开发

据报道，澳大利亚政府决定建造一座高达1 000 m的“太阳塔”，利用太阳能进行风力发电。这一高度将是上海“东方明珠电视塔”的2倍多。这是一项规模极为庞大的环保能源工程。“太阳塔”的底端有一个直径7 000 m的圆盘状集热器，如图7-15所示。在图7-15太阳的照射下，集热器的中部形成一个巨大的温室。由于对流效应，热气流沿着“太阳塔”以56 km/h的速度上升，推动“太阳塔”内部特别设计的涡轮产生电力。这种特殊的设计可以克服天气条件限制，不间断地工作。据估算，“太阳塔”一年所发的电可供20万个家庭使用，而如果采用传统发电方式，每年为此要排放出830 kt的二氧化碳。

人们为什么要投入巨大的人力和物力建造“太阳塔”呢？在本节，我们将从能的转化的方向性给出答案。

大家谈

你在电视中可能会看到这样的情景：被摔得粉碎的茶杯碎片组合成一个完整的杯子，从地上跳回到桌面上。这时你一定会说是影片在倒放，不足为奇！为什么这不是真实的过程？

凡是能量守恒的过程就一定会发生吗？

科学家经研究发现，有许多想像中的过程，例如单纯使全部海水降温以获得能量的过程，虽然不违背能量守恒定律，但在自然界中却是不能实现的。

人死不能复生，破镜不能重圆，泼水难收……这些说法反映了一个事实，实际过程都具有“单向性”或“不可逆性”。下面我们通过简单的物理过程来考察单向性的含义及其产生的原因。

一杯热水放在空气中，它就逐渐冷下来。但是我们却从未观察到相应的逆过程：热量自然地从空气向热水传递而使热水的温度升高，虽然在理论上这过程同样可以符合能量守恒定律。因此，热传递过程具有单向性，它只能自发地从高温物体传递到低温物体。其次，一个单摆在来回摆动许多次后，总会停下来，它通过克服摩擦力和空气阻力做功而使机械能转变为内能。但我们从未观察到相应的逆过程：这部分内能重新自然地转变为机械能而使单摆恢复摆动。再如，气体的自由膨胀过程，如图7-16所示，打开容器中间的隔板后，原来储存在容器左边的气体就会向右边的真空区域自由膨胀，最终均匀地分布于整个容器。但我们从未观察到相应的逆过程：气体自行压缩到容器的一边。

热传递、摩擦生热、气体自由膨胀等是物理学中所讨论的三类典型的单向性过程或不可逆过程，而且这些过程都与热现象密切相关。

1．自然过程的方向性

大量事实表明，自然界中的一切实际变化过程都具有方向性，朝某个方向的变化是可以自发发生的，相反方向的变化却是受到限制的。这时如果要使变化了的事务重新恢复到原来的状态，一定会对外界产生无法消除的影响，这就是自然过程的不可逆性。

自主活动

1．列举几个自然界和日常生活中具有“单向性”过程的例子。

2．热传递过程具有单向性，热量只能从高温物体传递到低温物体。试分析这个说法与电冰箱工作过程（热量从冰箱内的低温区传递到外界温度较高的空气中）的实际情况是否矛盾？

既然能量守恒，为什么还会有能源危机？

2．能量的耗散与退化

要回答这个问题，得从能量的耗散与退化说起。1852年，英国物理学家汤姆孙（William Thomson，1824-1907）的研究发现，在自然界发生的种种变化中，能量的总值虽然保持不变（守恒），但是能量可被利用的价值却越来越小，或者说能量的品质在逐步降级，这就是能量耗散与退化。

对于人类来说，除了内能外，更需要机械能、电能。内能在转化为机械能时，总有一部分要散发到温度较低的环境中。可见，在转化的过程中，只有部分内能可成为有用的机械能，另一部分成了“废品”。从这个意义上说，内能是一种低品质的能。如果其他形式的能量通过摩擦、碰撞、燃烧等过程转化成内能，能量的品质就降低了。

由于宏观过程的不可逆性，如果一个系统的内能增加，这个系统就永远无法依靠自身的作用（自发地）回到原先的状态，除非系统依靠外界的帮助。而“外界的帮助”将更多地消耗其他形式的能量，产生出更多的内能来。

当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球上能的总量，但是它们的可利用价值会降低。例如，开汽车时要消耗汽油。汽油在发动机中燃烧，将燃气的部分内能转化为驱动汽车行驶的机械能，同时，另一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，这部分内能就很难再利用了。

3．能源（energy sources）

能够提供可利用能量的物质资源叫做能源。

目前，人类消耗的能量主要来自煤炭、石油、天然气等物质。人们把煤炭、石油、天然气等在技术上比较成熟、使用较普遍的能源叫做常规能源。近几十年才开始利用或正在研究开发的能源叫做新能源，如太阳能、核能、地热能等。

大家谈

请你说说图7-17中各能源转化装置分别利用了哪些能源？

自主活动

能源的划分有多种方法。直接来自自然界的能源叫做一次能源，如煤炭、石油等。从一次能源直接或间接转化而来的能源叫做二次能源，如电能等。一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。还有的把能源分为燃料和非燃料能源两大类。

请你按照表1中给出的能源分类法，填写能源的名称。

表1 能源的分类

类别	一次能源	二次能源
新能源
常规能源

今天，能源已经成为人类社会须臾不可离的基本物质，人均能源消费量成为社会发展程度的重要标志之一。目前世界上消费的能源主要是煤炭、石油、天然气、核燃料等矿物类燃料，这些物质是自然界在千万年中积累形成的，是赋予人类的自然财富。然而，这些财富却是有限的，在人类日益增加的能源需求下，将日趋枯竭。表2反映了目前世界能源的资源状况。

表2 世界能源的资源状况

能源	已探明储量	可开采年限
煤炭	2×10¹³t	约300年
石油	1.36×10¹²t	30～40年
天然气	1.38×10¹⁵m³	50～60年

当前全世界每年的能源消费量已远远超过1×10¹⁰ t标准煤（每吨煤释放的能量为29 300 kJ），不久将达到2×10¹⁰ t标准煤。图7-18反映了目前世界能源消费种类的比例。其中，煤炭约占28%，石油约占40%，天然气约占23%，水电约占2.5%，核能等约占6.5%。

我国已探明能源的储量，煤炭保有储量约9.5×10¹²t（其中可开采量约1.2×10⁹ t），石油约7×10¹⁰t（其中可开采量约占总量的 $\frac{1}{4}$ ），天然气约8×10¹² m³。虽然我国的能源资源丰富，但由于我国人口众多，人均能源的占有量处于较低的水平。与之相反，由于人口众多，虽然我国人均能源的消费量不高，但总量却相当惊人！据报道，21世纪初，我国能源消费总量已位居世界第二。我国能源形势相当严峻！

我们如何更好地利用能源？

在地球的自然资源中，除了煤炭、石油、天然气、植物燃料、水能、核能等已被人类广泛利用的能源外，还有太阳能、风能、地热能、潮汐能、波浪能、海洋能、生物质能等数量巨大的能源可以利用。这些能源可以再生，是对环境污染和危害极少的清洁能源。但目前人类使用这些能源酌技术还很不完善，还有待人类去进一步研究和开发。

此外，人们日益发现，利用能源的过程一方面为人类带来了文明与繁荣，另一方面也为人类的生存环境带来了巨大的灾难。温室效应、酸雨、臭氧层受到破坏、土壤酸性化、生态平衡受到破坏等带来了海平面升高、暴雨和干旱增多，还有核燃料的直接污染等都严重威胁着人类以及各种生物的生存。

显然，从人类的利益和生存出发，节能是减缓当前能源枯竭、保护和改善人类生存环境的最现实和有效的措施。因此，开发节能技术、开拓新能源利用技术、开发清洁能源，是我们利用能源的技术发展方向。

STS

我国在能源利用和开发中面临的问题

我国能源消费以煤炭为主，约占能源消费总量的 $\frac{3}{4}$ ，且能源使用效率低。1994年，我国全年废气排放量（不含乡镇企业）1.14×10¹³ m³，废气中烟尘排放量1.414×10⁷ t。全国500多个城市中大气环境质量符合国家一级标准的很少，某些城市悬浮颗粒物浓度超过世界卫生组织标准的几十倍。个别城市甚至成了“卫星上看不见的城市”。由于二氧化硫的排放量不断增加，酸雨污染范围从西南、华南向东向北扩展，越过长江和黄河，污染面积不断扩大。部分城市的汽车尾气排放污染也十分严重。