高中地球科學/不可再生能源
你有沒有在博物館見過恐龍化石？如果有，你可能讀過關於恐龍骨骼如何變成化石的文章。形成這些化石的相同過程也形成了我們一些最重要的能源。這些資源被稱為化石燃料。化石燃料提供了非常優質的能量，但由於我們對能量的需求，我們正在消耗這些資源的速度遠遠超過它們的形成速度。
- 描述形成不同化石燃料的自然過程。
- 描述不同的化石燃料，並瞭解為什麼它們是不可再生資源。
- 解釋化石燃料如何轉化為有用的能量形式。
- 瞭解當我們燃燒化石燃料時，它的大部分能量都以熱量的形式釋放出來。
- 描述化石燃料的使用如何影響環境。
- 描述核電站如何產生能量。
正如你從它們的名稱中猜到的那樣，化石燃料是由化石形成的。化石燃料來自大約 5 億年前開始形成的物質。當植物和動物死亡時，它們的遺骸沉積在地面和水體底部。隨著時間的推移，這些遺骸形成了層層疊疊的層。最終，所有這些層都埋藏得足夠深，以至於它們處於巨大的土層之下。地球的重量壓在這層層疊疊的層上，產生了巨大的熱量和壓力。
經過數百萬年的高溫和高壓，這些層中的物質變成了稱為碳氫化合物的化學物質，它們是碳和氫的化合物。這些層中的碳氫化合物就是我們所說的化石燃料。碳氫化合物可以是固態、液態或氣態。固態形式是我們所知的煤炭。液態形式是石油或原油。我們將氣態碳氫化合物稱為天然氣。
你可能會驚訝地發現，任何曾經活過的東西都可能發生足夠大的變化，變成完全不同的東西，比如煤炭或石油。地球表面以下有足夠的熱量和壓力，甚至可以形成鑽石，鑽石是世界上最硬的天然材料。
像化石燃料一樣，鑽石也是由碳組成的。事實上，鑽石是一種純碳，因此它不含化石燃料中的氫。是什麼決定了地球深處生物遺骸是變成煤炭、石油、天然氣、鑽石還是其他東西？所有這些物質都在高溫高壓下形成，但每種物質的條件都不同。
煤炭是一種固體化石燃料，由數百萬年前沉積在沼澤底部的死亡植物形成。沼澤中的水和泥土影響了植物遺骸在壓縮時的分解方式。沼澤中的水和泥土使植物物質遠離氧氣。當植物在沒有氧氣的情況下被埋葬時，有機物質可以被儲存或石化。然後，其他物質，如沙子和粘土，沉積在腐爛的植物之上，擠出水和其他一些物質。隨著時間的推移，壓力去除了大部分物質，除了碳以外，含碳物質形成了我們所知的煤層。
煤炭的顏色為黑色或褐黑色。煤炭是一種易燃的岩石。大多數型別的煤炭都是沉積巖。但最硬的煤炭型別，無煙煤，是一種變質巖，因為它在形成過程中暴露在更高的溫度和壓力下。煤炭主要由碳組成，但也含有一些其他元素，包括硫。
在世界範圍內，煤炭是電力最大的能源來源。美國富含煤炭，這些煤炭用於發電。加州曾經有許多小型煤礦，但該州不再生產煤炭。
將煤炭轉化為有用的形式以發電的一種常見方法是從將煤炭粉碎成粉末開始。然後，發電廠在裝有鍋爐的爐膛中燃燒粉末。與其他燃料一樣，煤炭燃燒時會釋放大部分能量作為熱量。燃燒的煤炭在爐膛中釋放的熱量足以將鍋爐中的水煮沸，產生蒸汽。發電廠利用這種蒸汽旋轉渦輪機，旋轉的渦輪機使發電機旋轉以產生電力。
為了讓人們將煤炭用作能源，他們需要從地下開採出來。從地下開採煤炭的過程被稱為煤炭開採。煤炭開採可以在地下或地表進行。煤炭開採過程，特別是露天開採，會影響環境。露天開採將地下礦物暴露在空氣和地表水中。這些礦物含有化學元素硫，硫與空氣和水混合會形成硫酸，這是一種高度腐蝕性的化學物質。硫酸進入附近的溪流，會殺死生活在水中或水附近的魚類、植物和動物。燃燒煤炭的過程會導致環境的其他問題。稍後，我們將討論這些其他的汙染問題，當我們探索化石燃料的一般問題時。
石油是一種粘稠的液體，通常呈深棕色或黑色。它主要存在於地球地殼上層的多孔岩石地層中。石油目前是世界上最大的單一能源來源。石油是如何形成的？製造石油的過程在很多方面與製造煤炭的過程相似。主要的區別在於生物的大小——即生物——它們的遺骸變成了這些化石燃料。死亡併成為石油製造材料的生物遠小於變成了煤炭的植物。這些生物被稱為浮游生物和藻類。當浮游生物和藻類死亡時，它們的遺骸沉積到海底。在那裡，它們被埋葬在遠離氧氣的環境中，就像植物在變成煤炭的過程中一樣。當沉積物層堆積在這些腐爛的生物體之上時，熱量和壓力會增加。經過數百萬年的時間，熱量和壓力將這些物質變成了液態石油。
美國生產石油，儘管產量僅為其消費量的四分之一。主要的石油產區是墨西哥灣、德克薩斯州、阿拉斯加州和加州。加州的大多數油田位於南部的聖華金谷。當該地區為一個匯聚板塊邊界時，來自壓縮的壓力產生了與聖安德烈亞斯斷層平行的背斜。石油聚集在可滲透的沉積物中，這些沉積物被不透水的蓋層岩石覆蓋。加州南部海岸也開採石油。
從地下開採出來的石油被稱為原油。原油是多種不同碳氫化合物的混合物。石油精煉用於將這種混合物中的化合物分離出來（圖 5.3）。我們可以將原油分離成幾種有用的燃料，因為原油中每種碳氫化合物在不同的溫度下沸騰。石油煉油廠將原油加熱到足以使化合物混合物沸騰的程度。煉油廠中的特殊裝置在這些化合物沸騰時將它們分離出來。
從精煉過程中出來的化合物大部分是燃料。其餘的構成了蠟、塑膠、化肥和其他產品。從原油中提取的燃料，包括汽油、柴油和燃油，是易於運輸的豐富能量來源。正因為如此，來自石油的燃料提供了大約 90% 的世界範圍內用於運輸的能量。
我們從煉油過程中獲得汽油。與石油一樣，汽油最常用於交通運輸，因為它是一種濃縮的能量形式，易於攜帶。讓我們考慮一下汽油是如何為汽車提供動力的。與你瞭解的其他燃料一樣，汽油燃燒並釋放大部分能量作為熱量。當它燃燒時，汽油會變成二氧化碳氣體和水蒸氣。熱量使這些氣體膨脹，就像充滿熱空氣的熱氣球一樣。膨脹的氣體產生足夠的力來移動發動機內的活塞，發動機產生足夠的動力來移動汽車。
當像汽油這樣的資源在能量上很集中時，它就包含了與它的重量相對應的巨大能量。這一點很重要，因為物體越重，移動它所需的能量就越多。如果我們只能從一定量的汽油中獲得少量能量，汽車將不得不攜帶更多的汽油才能行駛很遠。但攜帶更多的汽油會使汽車更重，因此移動汽車將需要更多的能量。因此，具有高度集中能量的資源是為汽車和其他交通工具提供動力的實用燃料。
不幸的是，使用汽油為汽車提供動力也會影響環境。燃燒汽油的尾氣包括導致多種汙染的氣體，包括煙霧和地面臭氧。這些汙染形式會導致每天有大量人口駕駛的城市出現空氣質量問題。燃燒汽油還會產生二氧化碳，二氧化碳是造成全球變暖的原因。
天然氣是一種燃料，它是甲烷和幾種其他化學化合物的混合物。它通常與煤或石油一起存在於地下沉積物中。形成天然氣的條件與形成石油的條件相似。在這兩種情況下，被稱為浮游生物和藻類的微小生物都會死亡並沉入海底。在這兩種情況下，這些生物的殘骸都會在沒有氧氣的情況下腐爛。區別在於，天然氣形成的溫度比石油高。
美國最大的天然氣儲量位於落基山脈各州、德克薩斯州和墨西哥灣沿岸地區。加州也有天然氣，主要分佈在薩克拉門託河谷北部和薩克拉門託三角洲。在該地區，一個沉積物填充的槽沿古代會聚邊緣形成。埋藏在沉積物中的有機物質硬化成為頁岩地層，這是天然氣的來源。
由於天然氣是不同化學物質的混合物，因此在將其用作燃料之前必須對其進行處理。未經處理的天然氣中的一些化學物質對人類有毒。其他部分，如水，會使天然氣成為不太有用的燃料。處理過程幾乎去除了天然氣中除甲烷以外的所有物質。此時，天然氣已準備好輸送和使用。
天然氣，通常簡稱為天然氣，被輸送到家庭用於烹飪和取暖等用途。許多爐灶和烤箱使用天然氣作為燃料，燃氣爐、鍋爐、熱水器和烘乾機也很常見。
天然氣是為燃氣輪機和蒸汽輪機提供動力以發電的主要能源。當以這種方式使用時，天然氣的作用與煤炭在為發電提供能量方面的作用類似。與煤炭和其他燃料一樣，天然氣在燃燒時會釋放大部分能量作為熱量。發電廠能夠利用這種熱量（以熱氣或加熱水產生的蒸汽的形式）來旋轉渦輪機。旋轉的渦輪機轉動發電機，發電機產生電力。
天然氣的加工和使用對環境確實有一些有害影響。天然氣的燃燒比其他化石燃料更清潔，這意味著它造成的空氣汙染更少。對於相同數量的能量，它產生的二氧化碳也比其他化石燃料少。
儘管化石燃料是豐富的能源來源，但它們確實存在許多問題。由於這些燃料是非可再生資源，因此它們的供應最終會枯竭。安全性也可能是一個問題，因為這些燃料很容易燃燒。例如，建築物或地下管道中的天然氣洩漏會導致致命爆炸。
使用化石燃料會以多種方式影響環境。在開採這些資源時，會對環境造成影響。由於這些資源的供應即將枯竭，因此會出現一些問題。燃燒這些燃料會導致空氣汙染，燃燒它們會釋放二氧化碳，而二氧化碳是全球變暖的主要因素（圖 5.4）。
化石燃料中許多問題對煤炭來說比石油或天然氣更嚴重。煤炭中碳的能量密度比石油或天然氣低。因此，燃燒煤炭釋放的二氧化碳比燃燒石油或天然氣釋放的二氧化碳更多（對於相同數量的能量）。然而，煤炭是最常見的化石燃料，因此我們一直在燃燒大量的煤炭。煤炭是造成全球變暖的最大因素。
煤炭的另一個問題是它通常含有硫。煤炭燃燒時，硫會以二氧化硫的形式進入空氣。二氧化硫是酸雨的主要原因，酸雨會對植物、動物和整個生態系統造成致命影響。燃燒煤炭還會將其他汙染性化學物質和大量微小的固體“顆粒物”排放到空氣中。這些顆粒對人體有害，特別是患有哮喘等呼吸困難疾病的人。
當科學家學會如何裂變原子核時，他們釋放了大量的能量。科學家和工程師學會了控制這種能量釋放。這種能量的受控釋放被稱為核能。核電站使用經過處理和濃縮的鈾燃料棒（圖 5.5）。當鈾原子被其他極小的粒子撞擊時，它們會裂變。核能（核裂變）與核彈不同。炸藥不能直接用鈾製造，它必須用鈽進行濃縮。因此，核電站不會爆炸，但如果電站的冷卻系統中斷，則可能會發生熔燬。
核電站利用它們產生的能量來加熱水。水被加熱後，過程與燃煤電廠發生的過程非常相似。熱水或蒸汽使渦輪機旋轉。當渦輪機旋轉時，它會使發電機轉動，進而產生電力。
世界上許多國家都使用核能作為電力來源。例如，法國約 80% 的電力來自核能。在美國，不到 20% 的電力來自核能。
核能不會汙染空氣。事實上，核電站只向空氣中排放蒸汽。但核能確實會造成其他環境問題。原子裂變過程會產生一種稱為放射性廢物的危險副產品。核電站產生的放射性廢物在數千年或數十萬年內都具有危險性。到目前為止，對這種廢物的擔憂一直阻礙著核能成為我國更大的能源來源。科學家和工程師正在尋找將這種廢物安全地隔離在人們之外的方法。
- 煤炭、石油和天然氣都是由曾經的生物殘骸形成的化石燃料。
- 煤炭是我們生產電力的最大能源來源。
- 開採和使用煤炭會產生許多環境影響，包括二氧化碳排放和酸雨。
- 石油和天然氣是我們家庭和工業中許多型別的車輛和用途的重要能源來源。
- 核能是由原子裂變產生的。它也會產生放射性廢物，這些廢物在很多年內都非常危險。
- 化石燃料是非可再生能源，會造成環境破壞。
- 化石燃料是如何形成的？
- 最硬的煤炭型別被稱為無煙煤。為什麼無煙煤比其他型別的煤炭更硬？
- 核能的哪種產物引起了人們對使用這種資源的擔憂？
- 石油提煉過程中產生的重要燃料是什麼？
- 露天煤礦開採中暴露的哪種化學元素會導致附近水體發生環境問題？
- 蠟可以由哪種化石燃料的加工製成？
- 為什麼天然氣在用作燃料之前需要進行處理？
- 使用煤炭有哪些問題？
- 汽油的什麼特性使其成為交通運輸中的一種有用燃料？解釋一下。
- 核能會導致空氣汙染嗎？解釋一下。
- 腐蝕性
- 能夠對物質造成化學變化，削弱或破壞物質。
- 烴
- 僅包含碳和氫的化合物。
- 變質的
- 一種岩石型別，在現有岩石暴露於高溫高壓下形成。
- 核能
- 當原子轉化為另一種原子時，從原子核中釋放的能量。
- 沉積的
- 一種岩石型別，在高壓下由沉積物層形成。
- 可再生能源與不可再生能源有什麼區別？
- 所有可再生能源都同樣實用嗎？
- 所有可再生能源對環境都同樣有利嗎？