第10章 能量输入和能量输出
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第十章 能量输入和能量输出 Energy in and energy out
10.1 可再生能源 Renewable energy
学习目标：
Learning Objectives:
什么是可再生能源和不可再生能源？
哪些能源是可再生的？
太阳在为我们提供能源中，所起到的作用是什么？
参考大纲：3.2.2A
全球都在鼓励利用可再生能源来满足日趋增长的能源需求。而不发达国家从经济角度考虑，发展使用可再生能源的速度较慢，因为他们通常拥有大量未开采的煤、石油和天然气。而使用这些能源来满足一个快速发展的经济体相对大量的能源需求，其成本更低，而且技术需求也更低。
大多数能源——可再生能源和不可再生能源，都可以追溯到太阳，那么，为什么使用一种能源优于使用另一种能源呢？因为依赖含碳的不可再生能源会产生一些严重的问题：
不可再生能源最终将会耗竭。
直接使用不可再生能源会增加输入到地球及其大气的能量。
使用不可再生能源产生的副产品会进一步加速全球变暖。
不可再生能源 Non-renewable resources
不可再生能源包括石油、天然气和煤，由腐烂的生物体形成。石油和天然气来自百万年前堆积在海底的浮游生物和细菌的分解，而煤来自陆地上植物（如树木）的分解。生物体和植物生长所需的能量来自于阳光：植物通过光合作用吸收阳光，而植物反过来为生物体提供食物。由于煤和石油需要经过数百万年的分解才能形成，因此，一旦被消耗，就很难再生。
使用不可再生能源时，存储在地球物质中的太阳能会被释放。这些存储的能量会增加从太阳自然获得的能量。燃料燃烧时产生的气体（如二氧化碳）释放到大气中，会导致所谓的温室效应（在第11章中讲述）。
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本章的后面部分将对不同形式的能源及其使用形式作进一步阐释。
核能和地热能 Nuclear and geothermal energy
核能来自于铀，而铀是一种不可再生资源。快速“增殖”反应堆会产生钚，而钚自身可用作燃料，从而增加了从核反应中可获得的能量。然而，即使是核资源，最终也可能会耗竭，因此核能是不可再生能源。
地球内部每往地心前进36米，温度会升高1K左右。因此，即使是几公里深度，温度也可能会超过250℃。地热能可用于直接为家庭和企业供热，也可用于驱动电力生产中的涡轮机和发电机（如图1所示）。地热能资源非常丰富，因此可以将其归类为可再生能源。
图1 提取地热能
Figure 1 Extracting geothermal energy
Cold water
冷水
Steam 蒸汽
Hot rocks 热岩
可再生能源 Renewable sources
正在开发的可再生能源依靠对太阳能的直接或间接利用。可通过使用太阳能面板或光伏电池来直接使用太阳能，也可通过风力、河流和波浪发电来间接使用太阳能。潮汐能也是可再生能源，由于太阳和月球的引力效应产生。因为太阳会不断促进地球气候的变化，所以，使用这些能源不会为来自太阳的能量增加额外的能量。我们的技术可将能源转换为电能形式，便于传输和使用。
风能 Wind energy
在大气中和地面上，存在许多因素会影响不同的温度环境：
相对于岩石、沙子和土壤，水的热容量更高，因此，通常情况下水的温度比陆地更低。陆地温度波动频率更多、温度波动范围更宽、而且这些变化会发生得更快。
靠近地面的气温比更高处的空气温度更高。
地球上的一些地方（如赤道）离太阳更近，因此最高温度可达到更高。
这些影响会引起空气膨胀，使空气密度和气压更低，从而导致地球周围的变化。温暖的、低密度的空气上升，形成对流，从而形成风。
从局部来说，白天的温度变化只会导致从海洋到陆地的微风，而夜间的风向相反（如图2所示）。从全球来说，温度变化会产生非常强大的盛行风。
出乎人们的预料，大气的全球运动不是直接从高气压向低气压移动（像空气从自行车轮胎打开的气门快速冲出一样）。地球自转产生的力会使空气运动螺旋进入低气压区域或从高气压区域螺旋出来，因此，风向大概是沿着等压线。
图2 陆风和海风
Figure 2 Land and sea breezes
Sea breeze 海风
Land breeze 陆风
Warm air 暖空气
Cool air 冷空气
Land 陆地
Ocean 海洋
科学探索 How science works
能量守恒定律 Conservation of energy
记住，能量只能从一种形式转化为另一种形式。通过核裂变或核聚变使燃料燃烧并产生能量会使质量减缩，在这种情况下，等量的能量会以另一种形式出现。
从严格意义上来说，太阳能并不是可再生的——但它提供的能源可以维持到很遥远的未来，
因此，我们认为太阳能是可再生能源。
提示 Hint
物体的热容量越高，则使物体温度升高1℃所需输入的能量越多。
科学探索 How science works
等压线 Isobars
等压线是压力相等的点连接所成的线。类似于地图上的等高线，用来标明高度相等的点。
波浪能 Wave energy
波浪是因扰动（例如，向池塘投入一块石头）而引起。海啸是由于海底地震引发的具有破坏性的波浪。用于发电的海浪，部分是因潮流运动而起，部分是因吹过海面的大风而起——将风的动能转换成波浪的动能和势能。
河流中的能源 Energy in rivers
在这种情况下，太阳所起的作用是形成降雨。太阳提供使水（尤其是大面积的海水）蒸发所需的能量。就像形成风的过程中加热的空气会上升一样，水蒸气以同样的方式上升。随着水蒸气上升，水蒸气会获得势能。当水蒸气进入冷空气层时，水蒸气凝结，从而形成降雨。雨水形成河流，河流会获得动能，而随着河水流回海洋（通常是雨水的起源地），雨水的势能流失。河流的动能可用于发电。
潮汐能 Tidal energy
潮汐的产生是由于地球受到太阳和月球的引力（如图3所示）。由于月球距离地球更近，因此，月球对地球的影响更大。最高潮（大潮）发生在太阳引力和月球引力处于同一方向时，而最低潮（小潮）发生在太阳引力和月球引力相互成直角时。
随着地球和月球自转，海洋的不同部分受到月球的引力。地球自转和万有引力的联合作用会使地球背月面的水位升高。地球每自转一次，地球表面的每个点两次处于向月面或背月面，因此，每天会出现两次潮汐。
图3 潮汐的形成
Figure 3 Production of tides
High tide 高潮
Moon 月球
问题小结 Summary questions
1. 简要描述太阳在煤能源形成中所起到的作用。
2. 说出：
a 两种可再生能源
b 两种不可再生能源。
3. 为什么有些能源是可再生的？
10.2 能量输入 Energy in
学习目标：
Learning Objectives:
从英国的不可再生能源中可获得多少能量？
世界上不可再生能源的主要产地是哪里？
英国的可再生能源可产生多少能量？
参考大纲：3.2.2A
能量 Energy
能量是指“做功的能力”。 通过做功，物体的能量可从一种“形式”转换为另一种“形式”。那么，转换后的能量可能以另一种不同于最初能量的形式存在。对于燃料，能量的最初形式是化学能，燃料燃烧释放的能量转换成机械能，用于驱动涡轮机和发电机。
能量的国际制单位为焦耳（J）。
能量转换的速率或者做功的速率，就是功率。功率的单位为瓦特（W）。1瓦特等于每秒钟转换或者消耗1焦耳的能量（1W = 1JS-1）。
涉及到电力生产时，常用单位为kW、MW、GW甚至TW（1TW = 1012W）。
根据功率计算转换的能量的公式为E = Pt。
转换的能量（已消耗的）= 功率×时间。
由于发电厂发电产生的能量和家庭使用的能量很大，因此能量单位使用千瓦时（kWh），对于更大的能量，可使用MWh或GWh。
1kWh的能量，就是1kW的设备工作1小时所消耗的能量。
因此，1kWh = 1000×3600 =3.6×106J
AQA主考官建议 AQA Examiner’s tip
能量（单位以kWh表示） = 功率（单位以kW表示）×时间（单位以小时表示）
能量（单位以J表示） = 3.6×106×能量（单位以kWh表示）
来自太阳的能量 Energy from the Sun
从太阳到达地面的功率约为1.7×1017W。图1所示为从太阳到达地面的能量发生了什么。
图1 来自太阳的能量
Figure 1 Energy from the Sun
Short-wave radiation reflected back to space 反射回太空的短波辐射
Water cycle: evaporation and rain 水循环：蒸发和降雨
From the Sun 来自太阳
Photosynthesis: plant growth 光合作用：植物生长
Wind and waves 风和波浪
Thermal energy in air, land and sea 大气、陆地和海洋中的热能
科学探索 How science works
桑基图 Sankey diagram
在桑基图（如图1所示）中，箭头宽度代表不同形式的能量的相对量。也可用条形图和饼形图替代桑基图，但桑基图的优点是可以表明能量的流动情况。
到达地球的功率中，只有约1%用于形成风和波浪，或者被植物吸收。剩余功率中，约30%被直接反射回太空，约46%使地球温度升高，约23%使水蒸发，最终形成雨水返回地球。最终会达到一种平衡——其中从地球辐射的能量等于来自太阳的能量，从而使地球的平均温度保持恒定。全球变暖是由于一些因素改变了这种平衡状态（参见第11章）。
来自不可再生能源的能量 Energy from non-renewable resources
全球仍有大量的煤、石油和天然气供应。煤是最丰富的化石燃料，据估算，全球的煤储量约为9煤是最11吨。对于天然气和石油，目前估算的储量分别是170于天然12m3和1.1于天然12桶（商业出售石油以159升的桶盛装）。
图2、3和4所示为这些能源储量在全球不同区域的分布情况。
