高中地球科学/不可再生能源
你有没有在博物馆见过恐龙化石？如果有，你可能读过关于恐龙骨骼如何变成化石的文章。形成这些化石的相同过程也形成了我们一些最重要的能源。这些资源被称为化石燃料。化石燃料提供了非常优质的能量，但由于我们对能量的需求，我们正在消耗这些资源的速度远远超过它们的形成速度。
- 描述形成不同化石燃料的自然过程。
- 描述不同的化石燃料，并了解为什么它们是不可再生资源。
- 解释化石燃料如何转化为有用的能量形式。
- 了解当我们燃烧化石燃料时，它的大部分能量都以热量的形式释放出来。
- 描述化石燃料的使用如何影响环境。
- 描述核电站如何产生能量。
正如你从它们的名称中猜到的那样，化石燃料是由化石形成的。化石燃料来自大约 5 亿年前开始形成的物质。当植物和动物死亡时，它们的遗骸沉积在地面和水体底部。随着时间的推移，这些遗骸形成了层层叠叠的层。最终，所有这些层都埋藏得足够深，以至于它们处于巨大的土层之下。地球的重量压在这层层叠叠的层上，产生了巨大的热量和压力。
经过数百万年的高温和高压，这些层中的物质变成了称为碳氢化合物的化学物质，它们是碳和氢的化合物。这些层中的碳氢化合物就是我们所说的化石燃料。碳氢化合物可以是固态、液态或气态。固态形式是我们所知的煤炭。液态形式是石油或原油。我们将气态碳氢化合物称为天然气。
你可能会惊讶地发现，任何曾经活过的东西都可能发生足够大的变化，变成完全不同的东西，比如煤炭或石油。地球表面以下有足够的热量和压力，甚至可以形成钻石，钻石是世界上最硬的天然材料。
像化石燃料一样，钻石也是由碳组成的。事实上，钻石是一种纯碳，因此它不含化石燃料中的氢。是什么决定了地球深处生物遗骸是变成煤炭、石油、天然气、钻石还是其他东西？所有这些物质都在高温高压下形成，但每种物质的条件都不同。
煤炭是一种固体化石燃料，由数百万年前沉积在沼泽底部的死亡植物形成。沼泽中的水和泥土影响了植物遗骸在压缩时的分解方式。沼泽中的水和泥土使植物物质远离氧气。当植物在没有氧气的情况下被埋葬时，有机物质可以被保存或石化。然后，其他物质，如沙子和粘土，沉积在腐烂的植物之上，挤出水和其他一些物质。随着时间的推移，压力去除了大部分物质，除了碳以外，含碳物质形成了我们所知的煤层。
煤炭的颜色为黑色或褐黑色。煤炭是一种易燃的岩石。大多数类型的煤炭都是沉积岩。但最硬的煤炭类型，无烟煤，是一种变质岩，因为它在形成过程中暴露在更高的温度和压力下。煤炭主要由碳组成，但也含有一些其他元素，包括硫。
在世界范围内，煤炭是电力最大的能源来源。美国富含煤炭，这些煤炭用于发电。加州曾经有许多小型煤矿，但该州不再生产煤炭。
将煤炭转化为有用的形式以发电的一种常见方法是从将煤炭粉碎成粉末开始。然后，发电厂在装有锅炉的炉膛中燃烧粉末。与其他燃料一样，煤炭燃烧时会释放大部分能量作为热量。燃烧的煤炭在炉膛中释放的热量足以将锅炉中的水煮沸，产生蒸汽。发电厂利用这种蒸汽旋转涡轮机，旋转的涡轮机使发电机旋转以产生电力。
为了让人们将煤炭用作能源，他们需要从地下开采出来。从地下开采煤炭的过程被称为煤炭开采。煤炭开采可以在地下或地表进行。煤炭开采过程，特别是露天开采，会影响环境。露天开采将地下矿物暴露在空气和地表水中。这些矿物含有化学元素硫，硫与空气和水混合会形成硫酸，这是一种高度腐蚀性的化学物质。硫酸进入附近的溪流，会杀死生活在水中或水附近的鱼类、植物和动物。燃烧煤炭的过程会导致环境的其他问题。稍后，我们将讨论这些其他的污染问题，当我们探索化石燃料的一般问题时。
石油是一种粘稠的液体，通常呈深棕色或黑色。它主要存在于地球地壳上层的多孔岩石地层中。石油目前是世界上最大的单一能源来源。石油是如何形成的？制造石油的过程在很多方面与制造煤炭的过程相似。主要的区别在于生物的大小——即生物——它们的遗骸变成了这些化石燃料。死亡并成为石油制造材料的生物远小于变成了煤炭的植物。这些生物被称为浮游生物和藻类。当浮游生物和藻类死亡时，它们的遗骸沉积到海底。在那里，它们被埋葬在远离氧气的环境中，就像植物在变成煤炭的过程中一样。当沉积物层堆积在这些腐烂的生物体之上时，热量和压力会增加。经过数百万年的时间，热量和压力将这些物质变成了液态石油。
美国生产石油，尽管产量仅为其消费量的四分之一。主要的石油产区是墨西哥湾、德克萨斯州、阿拉斯加州和加州。加州的大多数油田位于南部的圣华金谷。当该地区为一个汇聚板块边界时，来自压缩的压力产生了与圣安德烈亚斯断层平行的背斜。石油聚集在可渗透的沉积物中，这些沉积物被不透水的盖层岩石覆盖。加州南部海岸也开采石油。
从地下开采出来的石油被称为原油。原油是多种不同碳氢化合物的混合物。石油精炼用于将这种混合物中的化合物分离出来（图 5.3）。我们可以将原油分离成几种有用的燃料，因为原油中每种碳氢化合物在不同的温度下沸腾。石油炼油厂将原油加热到足以使化合物混合物沸腾的程度。炼油厂中的特殊设备在这些化合物沸腾时将它们分离出来。
从精炼过程中出来的化合物大部分是燃料。其余的构成了蜡、塑料、化肥和其他产品。从原油中提取的燃料，包括汽油、柴油和燃油，是易于运输的丰富能量来源。正因为如此，来自石油的燃料提供了大约 90% 的世界范围内用于运输的能量。
我们从炼油过程中获得汽油。与石油一样，汽油最常用于交通运输，因为它是一种浓缩的能量形式，易于携带。让我们考虑一下汽油是如何为汽车提供动力的。与你了解的其他燃料一样，汽油燃烧并释放大部分能量作为热量。当它燃烧时，汽油会变成二氧化碳气体和水蒸气。热量使这些气体膨胀，就像充满热空气的热气球一样。膨胀的气体产生足够的力来移动发动机内的活塞，发动机产生足够的动力来移动汽车。
当像汽油这样的资源在能量上很集中时，它就包含了与它的重量相对应的巨大能量。这一点很重要，因为物体越重，移动它所需的能量就越多。如果我们只能从一定量的汽油中获得少量能量，汽车将不得不携带更多的汽油才能行驶很远。但携带更多的汽油会使汽车更重，因此移动汽车将需要更多的能量。因此，具有高度集中能量的资源是为汽车和其他交通工具提供动力的实用燃料。
不幸的是，使用汽油为汽车提供动力也会影响环境。燃烧汽油的尾气包括导致多种污染的气体，包括烟雾和地面臭氧。这些污染形式会导致每天有大量人口驾驶的城市出现空气质量问题。燃烧汽油还会产生二氧化碳，二氧化碳是造成全球变暖的原因。
天然气是一种燃料，它是甲烷和几种其他化学化合物的混合物。它通常与煤或石油一起存在于地下沉积物中。形成天然气的条件与形成石油的条件相似。在这两种情况下，被称为浮游生物和藻类的微小生物都会死亡并沉入海底。在这两种情况下，这些生物的残骸都会在没有氧气的情况下腐烂。区别在于，天然气形成的温度比石油高。
美国最大的天然气储量位于落基山脉各州、德克萨斯州和墨西哥湾沿岸地区。加州也有天然气，主要分布在萨克拉门托河谷北部和萨克拉门托三角洲。在该地区，一个沉积物填充的槽沿古代会聚边缘形成。埋藏在沉积物中的有机物质硬化成为页岩地层，这是天然气的来源。
由于天然气是不同化学物质的混合物，因此在将其用作燃料之前必须对其进行处理。未经处理的天然气中的一些化学物质对人类有毒。其他部分，如水，会使天然气成为不太有用的燃料。处理过程几乎去除了天然气中除甲烷以外的所有物质。此时，天然气已准备好输送和使用。
天然气，通常简称为天然气，被输送到家庭用于烹饪和取暖等用途。许多炉灶和烤箱使用天然气作为燃料，燃气炉、锅炉、热水器和烘干机也很常见。
天然气是为燃气轮机和蒸汽轮机提供动力以发电的主要能源。当以这种方式使用时，天然气的作用与煤炭在为发电提供能量方面的作用类似。与煤炭和其他燃料一样，天然气在燃烧时会释放大部分能量作为热量。发电厂能够利用这种热量（以热气或加热水产生的蒸汽的形式）来旋转涡轮机。旋转的涡轮机转动发电机，发电机产生电力。
天然气的加工和使用对环境确实有一些有害影响。天然气的燃烧比其他化石燃料更清洁，这意味着它造成的空气污染更少。对于相同数量的能量，它产生的二氧化碳也比其他化石燃料少。
尽管化石燃料是丰富的能源来源，但它们确实存在许多问题。由于这些燃料是非可再生资源，因此它们的供应最终会枯竭。安全性也可能是一个问题，因为这些燃料很容易燃烧。例如，建筑物或地下管道中的天然气泄漏会导致致命爆炸。
使用化石燃料会以多种方式影响环境。在开采这些资源时，会对环境造成影响。由于这些资源的供应即将枯竭，因此会出现一些问题。燃烧这些燃料会导致空气污染，燃烧它们会释放二氧化碳，而二氧化碳是全球变暖的主要因素（图 5.4）。
化石燃料中许多问题对煤炭来说比石油或天然气更严重。煤炭中碳的能量密度比石油或天然气低。因此，燃烧煤炭释放的二氧化碳比燃烧石油或天然气释放的二氧化碳更多（对于相同数量的能量）。然而，煤炭是最常见的化石燃料，因此我们一直在燃烧大量的煤炭。煤炭是造成全球变暖的最大因素。
煤炭的另一个问题是它通常含有硫。煤炭燃烧时，硫会以二氧化硫的形式进入空气。二氧化硫是酸雨的主要原因，酸雨会对植物、动物和整个生态系统造成致命影响。燃烧煤炭还会将其他污染性化学物质和大量微小的固体“颗粒物”排放到空气中。这些颗粒对人体有害，特别是患有哮喘等呼吸困难疾病的人。
当科学家学会如何裂变原子核时，他们释放了大量的能量。科学家和工程师学会了控制这种能量释放。这种能量的受控释放被称为核能。核电站使用经过处理和浓缩的铀燃料棒（图 5.5）。当铀原子被其他极小的粒子撞击时，它们会裂变。核能（核裂变）与核弹不同。炸药不能直接用铀制造，它必须用钚进行浓缩。因此，核电站不会爆炸，但如果电站的冷却系统中断，则可能会发生熔毁。
核电站利用它们产生的能量来加热水。水被加热后，过程与燃煤电厂发生的过程非常相似。热水或蒸汽使涡轮机旋转。当涡轮机旋转时，它会使发电机转动，进而产生电力。
世界上许多国家都使用核能作为电力来源。例如，法国约 80% 的电力来自核能。在美国，不到 20% 的电力来自核能。
核能不会污染空气。事实上，核电站只向空气中排放蒸汽。但核能确实会造成其他环境问题。原子裂变过程会产生一种称为放射性废物的危险副产品。核电站产生的放射性废物在数千年或数十万年内都具有危险性。到目前为止，对这种废物的担忧一直阻碍着核能成为我国更大的能源来源。科学家和工程师正在寻找将这种废物安全地隔离在人们之外的方法。
- 煤炭、石油和天然气都是由曾经的生物残骸形成的化石燃料。
- 煤炭是我们生产电力的最大能源来源。
- 开采和使用煤炭会产生许多环境影响，包括二氧化碳排放和酸雨。
- 石油和天然气是我们家庭和工业中许多类型的车辆和用途的重要能源来源。
- 核能是由原子裂变产生的。它也会产生放射性废物，这些废物在很多年内都非常危险。
- 化石燃料是非可再生能源，会造成环境破坏。
- 化石燃料是如何形成的？
- 最硬的煤炭类型被称为无烟煤。为什么无烟煤比其他类型的煤炭更硬？
- 核能的哪种产物引起了人们对使用这种资源的担忧？
- 石油提炼过程中产生的重要燃料是什么？
- 露天煤矿开采中暴露的哪种化学元素会导致附近水体发生环境问题？
- 蜡可以由哪种化石燃料的加工制成？
- 为什么天然气在用作燃料之前需要进行处理？
- 使用煤炭有哪些问题？
- 汽油的什么特性使其成为交通运输中的一种有用燃料？解释一下。
- 核能会导致空气污染吗？解释一下。
- 腐蚀性
- 能够对物质造成化学变化，削弱或破坏物质。
- 烃
- 仅包含碳和氢的化合物。
- 变质的
- 一种岩石类型，在现有岩石暴露于高温高压下形成。
- 核能
- 当原子转化为另一种原子时，从原子核中释放的能量。
- 沉积的
- 一种岩石类型，在高压下由沉积物层形成。
- 可再生能源与不可再生能源有什么区别？
- 所有可再生能源都同样实用吗？
- 所有可再生能源对环境都同样有利吗？