能源利用

一、从普罗米修斯盗火到燧人氏钻木取火

无论是在古希腊神话的普罗米修斯盗火的传奇中，还是在早期人类对火的发现的过程中。火的发现和利用无疑都是人类文化演化的转折点。在普罗米修斯的神话中，他盗取了太阳神阿波罗的火种送予人类，为人类驱赶了黑暗和寒冷，给他们带来光明和温暖。

而在早期人类社会中，对火的使用对人类文化演化有非同寻常的重要意义。火的使用令人类烹煮食物，并从加热过的食物中摄取蛋白质和碳水化合物。火又提供温暖，使人类在寒冷的夜间以及寒冷的气候中活动。火提供了天然光源外的另一选择，也给予人类抵御外来食肉动物的入侵的能力。

人类从发现火到利用火，这中间是有个过程的。最初，我们的祖先对自然界因雷电或者其他原因引发的熊熊燃烧的火是无知的，甚至可以说是恐惧的。但当我们的祖先从野火燃烧过的地方捡到并食用了被火烧过的野兽、野菜和野果等，他们发现了这样的食物不仅容易咀嚼、口感更好，而且不容易导致生病。于是我们的祖先渐渐地敢于接近火了。同时，他们也发现了火发出的光亮和产生的热能可以帮助他们抵御寒冷，防范野兽的侵袭。

我们的祖先将自然火用火把点燃之后带回居住的洞穴，居住在附近的人再到这里借火，这样的火称为火种。人们取回火种之后要细心照料，以防火种熄灭或者造成火灾。但当时人们对火的利用还处于比较被动的状态，因为一旦火种熄灭，人们可能就要到很远的地方去借火或者找火。但是这样相当不方便，于是人类根据自身的经验试着去造火，在不断尝试的过程之中，人类逐渐掌握了用石块敲击、摩擦取火的方法，后来人类发现了一旦在木材上以较快的速度钻孔时，会有火花产生的现象，从而进一步发明了钻木取火的方法。

中国古代有燧人氏钻木取火。其实燧人氏未必确有其人，只是由于这种方法的发明，给人类利用火带来了极大的方便，人类为了纪念这一伟大创举，于是便创造了燧人氏钻木取火的传说。总之，火的发现和利用是人类第一次支配了一种自然力量，从刀耕火种的原始农业的出现，到烧制陶器、冶炼铜器等都离不开火的发现和利用。火的发现和利用对人类生产力和社会的进步起到了极大的作用。

柴薪是人类第一代主体能源。人类学会用火之后，首先用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖。火还给人类以光亮，使人能在夜间活动。火还可以煅烧矿石、冶炼金属、制造工具。恩格斯在评价火的作用时说：“磨擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物分开。”

几十万年以前人类学会了用火，在漫长的岁月里，一直以柴草为生活能量的主要来源，燃火用于烧饭、取暖和照明。后来逐渐学会将畜力、风力、水力等自然动力用于生产和交通运输。这种初级形式的能源利用直到19世纪中期都没有太大突破。在1860年的世界能源消费结构中，薪柴和农作物秸秆仍占能源消费总量的73.8%。

二、历史悠久而具有无限前景的水能、风能

利用从能量的角度来看，流动的水和空气都能做功，具有机械能。大自然中的流动的水和拂过的风是取之不尽用之不竭的天然能源，并且人类在很早以前就开始利用水能和风能来满足人类对能源的需求。

人类利用水能的历史相当的悠久，而我们中国也是世界上最早利用水能的国家之一。早在1900多年前，智慧的中国古代人民就发明了木制的水轮，让流水冲击水轮转动，从而将流动的水的机械能转化成水轮的动能，进一步带动其他的装置，完成汲水、磨粉、碾谷、灌溉、排涝等等工作。我国宋代的科学家宋应星的著作《天工开物》中，就详细地记载了古代人民对水能的利用。

至于风能的利用，那就更早了。在蒸汽机发明之前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、农田灌溉、排水磨面等。最早的利用方式是“风帆行舟”，埃及被认为是可能是最早利用风能的国家，几千年之前，古埃及人的风帆船就在尼罗河上航行。我国也是最早使用帆船和风车的国家之一，唐代的诗仙李白诗云：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”，可见唐代时风帆船广泛地应用于江河航行。至于风帆船最辉煌的时期则要数中国的明代，明朝时三宝太监郑和七下西洋，远扬国威，成熟的风帆船制造技术功不可没。明朝以后，风车在中国得到了广泛的利用，宋应星的《天工开物》一书中记载有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，这就是对风车比较完整的一个描述。16世纪的时候，荷兰人利用风车排水，与海争地，在低洼的海滩地上发展，逐渐成为一个经济相当发达的国家。当今的荷兰人将风车视为国宝，而在北欧国家保留的那些荷兰式的风车已成为了人类利用风能的历史见证。

在蒸汽机出现之前，水力机械和风力机械都是重要的动力机械，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，曾经被广泛使用的风力、水力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等原因，逐渐失去主流地位。

但是，水能、风能作为大自然中取之不尽、储量充沛的可持续能源，在一度被冷落之后却又焕发了新的生机。19世纪末，丹麦人首先研发了风力发电机，建成了世界上第一座风力发电站。风力发电站在解决无电农牧区人民的用电问题方面起到了非常重要的作用，特别是在20世纪70年代之后，利用风力更进入了一个蓬勃发展的阶段，在世界不同地区中建立了许多的风力发电站。至于利用水能的水力发电站更是遍布全世界各个蕴藏丰富水资源的地区，为人类提供着大量的清洁、可持续能源。可以预见的是，水能、风能作为作为储量极其丰富、清洁无污染的自然能源，必将会有进一步的发展，成为多能源结构的一个重要组成部分。

三、从远古的生命到现代的化石燃料

化石燃料也称为矿石燃料，其包括的天然资源为煤炭、石油以及天然气等。这些资源都是埋藏在地下和海洋下的不能再生的燃料资源。

煤炭时代2000多年以前人类就知道煤炭可以作为燃料。公元前500年我国古人就发现了“黑石头”（煤），用煤作燃料已有1000多年的历史。14世纪的中国、17世纪的英国采煤业都已相当发达，但煤炭长期未能在世界能源消费结构中占据主导地位。

18世纪70年代，英国的瓦特发明以煤炭作燃料的蒸汽机。蒸汽机的广泛应用使煤炭迅速成为第二代主体能源。煤炭在世界一次能源消费结构中所占的比重，从1860年的25％，上升到1920年的62％。

17世纪中叶，由于煤炭生产和使用技术日趋成熟，人类能源消费逐步由煤炭代替木炭。煤气灯的使用，蒸汽机的发明，使煤炭一跃成为第二代主体能源，并开创了18世纪的工业文明。以煤炭作燃料的蒸汽机，使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。

19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源―电能。

石油时代人类很早就发现了石油，《汉书》、《梦溪笔谈》有描述。公元前250年，中国人就首先发现石油是一种可燃的液体。

自1782年瑞士人发明煤油灯到1853年全球普遍使用，石油所发挥的功能几乎全是照明。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发端。19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的内燃机。福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等将人类飞速推进到现代文明时代。石油以及天然气的开采与消费开始大幅度增加，并以每年2亿吨的速度持续增长。虽然经历了多次石油危机，石油价格高涨，但石油的消费量却不见有丝毫减少的趋势。现已成为第三代主体能源。世界进入了“石油时代”。

1886年德国人本茨和戴姆勒研制出第一辆以汽油为燃料、由内燃机驱动的汽车，进入大规模使用石油的汽车时代。石油和天然气逐渐取代煤炭，在世界能源消费构成中占据主要地位。1965年，在世界能源消费结构中，石油首次超过煤炭占居首位，成为第三代主体能源。到1979年，石油所占的比重达到54%，相当于煤炭的3倍。

天然气天然气是指自然界中天然存在的一切气体，包括大气圈、水圈、和岩石圈中各种自然过程形成的气体（包括油田气、气田气、泥火山气、煤层气和生物生成气等）。

人们长期以来通用的“天然气”的定义，是从能量角度出发的狭义定义，是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物。在石油地质学中，通常指油田气和气田气。其组成以烃类为主，并含有非烃气体。

2020年5月6日，中国石油西南油气田公司对外披露，近日发现了一条富含天然气的新区带，预计潜在资源量超万亿立方米。

天然气的主要成分是甲烷有少量的乙烷和丙烷。是一种优质能源。现已起到越来越重要的作用。

化石燃料已经成为了现代社会生活中不可或缺的一部分。然而随之而来的对环境的影响也是我们人类不可以忽视的。人类在发现了化石燃料之后，需要加以开采并且进行加工，才能使之被人类利用。而开采过程中对环境影响最典型的就是煤炭的开采。据不完全统计，迄今为止平均每开采一万吨煤炭会造成农田0.2公顷，在开采的同时还会对地下水造成污染，除此之外，开采时所释放的甲烷等气体以及粉尘在相当的程度上破坏了空气环境。在化石燃料的利用过程中，化石燃料中的碳转变成二氧化碳进入大气，使大气中的二氧化碳浓度增大，造成了所谓的温室效应。而温室效应作为当代环境的一个重大问题，随之而来的是全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、生物种类的灭绝等等环境问题，同时由于化石燃料的大量使用，产生的硫氧化物和氮氧化物，经过复杂的化学反应，形成了硫酸或者硝酸，进一步形成了酸雨，腐蚀建筑物、危害农田，对环境也造成了很大的影响。

由于这些原因，人类应该学会减少化石燃料的使用，而开发太阳能、电能、水能、风能等可持续、无污染的环保能源势在必行，能源危机的缓解和解决也理所应当从这方面去着手。

四、改变人类生活的万能电力

电能作为一种二次能源，便于从多种途径获得，如水力发电、火力发电、核能发电、太阳能发电及其他各种新能源发电等，同时又便于转换为其他能量形式以满足社会生产和生活的种种需要，如电动力、电热、电化学能、电光源等。与其他能源相比，电能在生产、传送、使用中更易于调控。这一系列优点，使电能成为最理想的二次能源，格外受到人们关注。

电能的开发及其广泛应用成为继蒸汽机的发明之后，近代史上第二次技术革命的核心内容。20世纪出现的大电力系统构成工业社会传输能量的大动脉；以电磁为载体的信息与控制系统则组成了现代社会的神经网络。各种新兴电工材料的开发、应用，丰富了现代材料科学的内容。物质世界统一性的认识、近代物理学的诞生以及系统控制论的发展等，都直接或间接地受到电工发展的影响。同时，各相邻学科的成就也不断促进电工向更高的层次发展。因此，电工发展水平是衡量社会现代化程度的重要标志，是推动社会生产和科学技术发展，促进社会文明的有力杠杆。

自19世纪80年代开始应用电能以后，几乎所有社会生产的技术部门以及人民生活，都逐步转移到这一崭新的技术基础上，极大地推动了社会生产力的发展 ，改变了人类的社会生活方式，使20世纪以“电世纪”载入史册。

电能照明给人类的便捷和好处最显著，它消除了黑夜对人类生活和生产劳动的限制，大大延长了人类用于创造财富的劳动时间，改善了劳动条件，丰富了人们的生活。这同时为电能的应用奠定了最广泛的社会基础，成为推动电能生产的强大动力。

电传动是范围最广、形式最多的电能应用领域，电动机作为最重要的动力源，从根本上改变了19世纪以蒸汽动力为基础的初级工业化的面貌。电热、电化学、电物理的发展，开辟了一个又一个新的工业部门和科研领域。总之，电的应用不仅影响到物质生产的各个侧面，也越来越广地渗透到人类生活的各个层面。电气化已在某种程度上成为现代化的同义语 ，同时它也已成为衡量我们人类社会物质文明发展水平的重要标志。

五、爱因斯坦与原子核能的利用

原子核能指的是原子核发生变化时释放的能量。如重核裂变和轻核聚变时所释放的巨大能量。1905年，伟大的物理学家爱因斯坦提出一个令人难以置信的理论：物质的质量和能量可以互相转化，即质量可以转化成能量，能量可以转化成质量。他指出，任何具有质量的物体，都贮存着看不见的内能，而且这个由质量贮存起来的能量大到令人难以想象的程度。

在20世纪30年代，人们开始了从原子核获得能量的研究，40年代建成核反应堆，50年代建成核电站，以后核能开发技术日趋成熟。

1942年美国建立世界上第一座核反应堆。

1954年前苏联建成世界第一座发电的反应堆并正式启用。

1956年美国的核电站投入运行。

核能利用迅速发展起来，在世界能源结构中占据重要位置。由于受石油危机的影响，核能利用在20世纪80年代发展最快，据统计，1980年至1985年世界核能消费量增长了90%，而前苏联竟然增长了121%。截至2007年12月，全世界正在运行中的反应堆有439 座, 相比2002年的444座微量下降，但发电能力稳步上升，总发电量达到 37117GW，全世界核电供应已经达到总供电量的16 %，许多国家达到总供电量的1/ 3。

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