從遠古時期人類燒烤食物，到現代人們日常生活中做飯、取暖，工作中用機器烘幹糧食、藥材、茶葉等，其能量來自哪裏？從古代勞動人民利用水車灌溉農田、水磨碾碎糧食到近代瓦特改良蒸汽機推動工業革命，從人們大量使用汽車、輪船、火車和飛機，到將高科技的衛星、宇宙飛船等送入太空，其動力又來自何方？當然，這一切都來自於大自然對人類的饋贈——各種形式的能源。人類社會的發展史不僅僅是生產工具的發展史，更是人類利用能源的發展史。
1.1揭開能源的麵紗
1.1.1能源的來龍去脈
大約在新石器時代，人類還處於蒙昧階段。傳說燧人氏偶然發現生熱現象，啄木鳥用長長的尖嘴在樹身上小窟窿裏找蟲吃，由於蟲鑽得很深，啄木鳥嘴巴夠不著，隻好用堅硬的嘴巴去鑽，不料卻鑽出了濃煙火種。燧人氏受到啟發，人類利用摩擦來取火從此就開始了。同時，火種的發現也揭開了人類利用能源的序幕，讓人類逐漸享受到大自然的饋贈——能源。
“能源”這一術語，過去人們談論得很少，正是兩次石油危機使它成了人們議論的熱點。那麼，究竟什麼是“能源”呢？關於能源的定義，目前約有20種。《科學技術百科全書》說：“能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源。”《大英百科全書》說：“能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風的術語，人類用適當的轉換手段便可讓它為自己提供所需的能量。”我國《節能法》中指出：“能源是指煤炭、石油、天然氣、生物質能和電力、熱力等，能夠直接提供能量或通過加工、轉換而取得有用能的各種資源。”可見，能源就是我們日常生活和工作中給我們帶來能量或動力的各種資源，是能量的載體。人們能夠利用的能源形式很多，如礦物能源（或稱為化石能源，包括煤炭、石油、天然氣、油頁岩、頁岩氣、可燃冰等）、江河水力能、太陽能、風能、原子核能、地熱能、海洋溫差能、潮汐能及生物質能等。在各種能源中，太陽能的數量最大，它每年投射到地球表麵上的能量是人類每年所消耗能量的上萬倍，而且它是無汙染、可再生的能源。但由於技術等原因，人類目前使用的能源仍以礦物能源為主。
人類認識和利用自然能源已有幾十萬年的曆史。遠古人類和其他動物一樣，隻能利用無私的太陽所賜予的天然能源——太陽能。從幾十萬年前人類發現火，至後來掌握了摩擦取火的方法，是人類利用自然能源的開端。由於摩擦取火的發現，使自然界燃料所具有的化學能經過燃燒，以熱能的形式釋放出來為人類服務。恩格斯曾高度評價“摩擦取火”這個能源發展史上第一個偉大創造：“人們隻是在學會了摩擦取火以後，才第一次迫使某種無生命的自然力替自己服務。”“因為摩擦生火第一次使人支配了一種自然力，從而最終把人同動物界分開。”
縱觀人類發展史，人類在認識和利用能源方麵有四次重大突破，即火的發現、蒸汽機的發明、電能的利用、核能（原子能）的開發和利用。每次重大突破都推動了經濟和科學技術的發展，而科學技術和經濟的發展反過來又需要消耗更多的能源。20世紀50年代世界總能耗為26億噸標準煤，70年代增長到72億噸標準煤，80年代增長到80億噸標準煤。按20世紀90年代統計，工業發達國家約有11億人口，消耗能源超過70億噸標準煤，平均每人6噸多標準煤，而發展中國家約有28億人，人均消耗僅半噸標準煤。因此可以預測，隨著科技發展和生活水平提高，發展中國家的人均能耗將大幅度增長。
歸納起來，我們所消耗的能源有三個來源：一是來源於太陽。除了直接來自於太陽的輻射能以外，煤炭、石油、天然氣及生物質能、水力能、風能和海洋溫差能等也都間接地來源於太陽。二是來源於地球自身。一種是以熱能形式儲存於地球內部的地熱能（如地下蒸汽、熱水和幹熱岩體）；另一種是地球內儲藏的鈾、釷、鈈等放射性核燃料所具有的能量，即原子核能。三是來源於月球和太陽等天體對地球的引力，而以月球引力為主，如海洋的潮汐能。不論來自何方，能源的最終去向隻有一個，那就是散失於宇宙空間。
1.1.2能源能為我們做些什麼
能源是整個世界發展和經濟增長最基本的驅動力，是人類賴以生存與發展最重要的物質基礎，並且是發展社會生產力的基本條件。可以說，沒有能源人類根本無法生存，更談不上社會發展和文明進步。能源的利用程度是反映技術進步的重要標誌。在當今社會，一個國家要發展，要提高電氣化、機械化和自動化水平，要改善人民的物質文化生活條件，就意味著要消耗更多的能源。因此，一個國家人均能耗的多少可直接反映出這個國家人民生活水平的高低。
翻開人類社會的工業發展史和能源發展史都可以發現，每一次大的工業革命或飛速發展都是以新能源開發和廣泛應用為先導。
第一次工業革命，是由於煤和石油的廣泛使用。煤的使用，使瓦特改良的蒸汽機成為生產中的主要動力設備，使生產逐步實現半機械化和機械化，大大提高了生產效率，工業得到迅速發展。由於石油的使用，出現了內燃機，使動力機械效率更高、體積更小、功率更大，從而實現了小型化。特別是交通運輸業的飛速發展，如果沒有石油，汽車、飛機等機動交通工具就無法運行。
第二次工業大發展，是由於電的廣泛應用。19世紀70年代末，汽輪機和發電機的發明促進了電力工業的飛速發展。電力的應用是能源科學技術的一次重大革命，它把燃料熱能轉化為電能，使能量更便於集中供應，也便於分散供應，傳輸快且消耗低，並很容易轉化為其他形式的能量，輸送、使用和管理都非常方便，因而電能被稱為“能量的萬能形式”。電能的廣泛應用，使電動機代替了蒸汽機，各種電動機器代替了手工勞作，電燈代替了油燈和蠟燭，電能成為了工業生產和日常生活的主要能源。可以說，如果沒有電能，現代的高度文明是不可想象的。
第三次工業大發展，是石油消耗量的大幅度增加。石油資源的開發開始了能源利用的新時期，特別是20世紀50年代，美國、中東、北非相繼發現了巨大的油田和氣田，西方發達國家很快從以煤炭為主要能源轉換為以石油和天然氣為主要能源。這是因為石油和煤炭相比有許多優點：第一，石油勘探和開采容易；第二，石油用作燃料熱值高，使用和運輸方便，且比較潔淨；第三，石油可用作工業原料，以石油為原料的工業產品有五千多種；第四，石油可加工成高級潤滑油，為動力機械提高單位重量的功率提供了條件。因此，石油消耗量的大幅度增加帶動了世界經濟的迅猛發展。
1.2能源是個大家庭
1.2.1能源的家庭成員
過去人們用薪柴燒火做飯，後來改用煤火爐，現在的都市裏普遍采用了燃氣灶或電熱鍋。人們所用的能源形式在不斷改變，人們的生活方式也變得更便捷和舒適。那麼，能源大家庭中到底有哪些成員？哪一種能源更適合人們的工作和生活呢？
（1）按照能源的成因或是否經過轉換，自然界中的能源可分為一次能源和二次能源。以現成的形式存在於自然界，未經加工和轉換的能源，如煤炭、石油、天然氣、植物燃料、水力能、風能、太陽能、核能、地熱能、海洋能、潮汐能等，稱為一次能源。能夠直接用作終端能源（即通過用能設備供消費者使用的能源）的一次能源是很少的，天然氣是少數幾種可作為終端能源使用的一次能源之一。由一次能源經過加工或轉換而成的能源產品，如煤氣、石油製品、焦炭、電力、蒸汽、沼氣、酒精、氫氣等，稱為二次能源。大部分一次能源均可轉換成二次能源，這不僅為了滿足生產工藝的要求，使生產或生活更方便，而且像電力和汽油等二次能源一樣使能源的用途更廣。
一次能源轉換成二次能源有不同的方法。如煤炭通過中心電站可生產電力，還可區域供熱；石油通過不同的煉製工藝可轉換成液體燃料——汽油、噴氣燃料、柴油、石腦油等。能源轉換設備多數情況下是能源係統的起點，為後續設備提供二次能源，如鍋爐、核反應堆等；有時是能源係統的終點，即在能源轉換的同時也在消耗能源，如窯爐、空調器等；有時則是能源係統的一個環節即簡單的機器，如電動機或風力機等。一次能源轉換成二次能源無論如何都會有轉換損失，把能源送到用戶還會有輸送損失。能源係統的最後階段是二次能源轉換成終端使用的能源，如汽車、爐灶、計算機、燈泡等所用的能源。隨後終端能源變成有效能，能量實際上儲存在產品中，或消耗於服務過程中。
一次能源按照能否“再生”又可分為兩類：一是可再生能源，就是不會隨著它本身的轉換或人類的利用而日益減少的能源。這類能源大都直接或間接來自於太陽，如太陽能、風能、水力能、海洋溫差能、潮汐能、生物質能等，是人類取之不盡、用之不竭的能源。二是不可再生能源，是指隨著人類的開發利用而越來越少的能源，例如煤炭、石油、天然氣、油頁岩以及核燃料鈾、釷、鈈等。其分類如下：
（2）按照可燃性，能源可分為燃料能源和非燃料能源。燃料能源包括礦物燃料（如煤、石油、天然氣）、生物燃料（如柴草、沼氣等）、化工燃料（如丙烷、甲醇、酒精等）和核燃料（如鈾、釷）四種；非燃料能源包括機械能（如風能、水能、潮汐能等）、熱能（如地熱能、海水熱能等）、光能（如太陽光能、激光能）和電能四種。
（3）按照使用技術的成熟程度和使用普遍性，能源可分為常規能源和新能源。在一定的曆史時期和科學水平條件下，已被人們廣泛應用的能源，稱之為常規能源，現階段包括煤炭、石油、天然氣、水力和核裂變能，世界能源消費幾乎全靠這五大能源來供應。許多能源需采用先進的技術才能加以利用，如太陽能、風能、海洋能、地熱能、生物質能、核聚變能等，稱之為新能源。這些能源的利用技術難度大、成本高，尚未被大規模利用，有的尚處於研究階段。可見，這裏的“新”不是時間概念，而是意味著“技術不成熟”。在不同的曆史時期，常規能源和新能源的分類是相對的，如原子核能在20世紀還屬於新能源，進入21世紀後，利用核裂變產生的原子能作為動力的發電技術已比較成熟，並得到廣泛應用，因此核裂變能已成為常規能源。但核聚變能的和平利用仍存在大量技術難題，因而核聚變能仍被視為新能源。
（4）按照利用過程中對環境有無汙染，能源可分為清潔能源和非清潔能源。清潔能源如太陽能、風能、水力能、氫能等，這些能源在利用過程中對環境的負麵影響很小或基本無影響。非清潔能源如礦物燃料、核燃料等。雖然核燃料在利用過程中如不發生意外事故，既不會發生輻射汙染，又沒有汙染物排放，但核廢料仍會造成放射性汙染，目前尚無妥善的處置辦法，因而核燃料仍屬於非清潔能源。
（5）按照其本身性質，能源可分為含能體能源和過程性能源。含能體能源是指集中儲存能量的含能物質，如煤炭、石油、天然氣和核燃料等。過程性能源是指物質運動過程產生和提供的能量，此能量存在於某一過程中，並隨著物質運動過程的結束而耗散，如電能、風能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆發、雷電、電磁能和一般熱能等。目前過程性能源尚不能大量地直接儲存，因此，機動性強的現代交通運輸工具（如汽車、輪船、飛機等）主要采用含能體能源（如柴油、汽油），無法直接大量使用過程性能源（如電能）。
1.2.2脫去能源的外衣看能量
能源隻是能量的載體和外衣，人們利用能源實質上利用的是能量。能量在物理學裏是指物質做功的能力。作為哲學概念，能量是一切物質運動、變化和相互作用的度量。因此，任何物質都可以轉化為能量，但轉化的難易程度差別很大。能量轉換與守恒定律指出：能量既不能創造，也不能消失；它隻會從一種形式轉換成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體；在轉移或轉換過程中，能量的總量保持不變。利用能量實質上是利用自然界的某一自發變化的過程來推動另一人為變化的過程。如水力發電，就是利用水從高處流向低處這一自發過程，把水的勢能轉換為動能推動水輪機轉動，水輪機又帶動發電機，通過發電機將機械能轉換為電能，電能可轉換為人們需要的其他能量形式。顯然能量的利用效率與轉換過程與采用的設備技術等密切相關。
上述各種能源包含哪些能量形式呢？歸納起來有以下六種：
（1）機械能：機械能是物體宏觀機械運動或空間狀態變化所具有的能量，又分別稱為宏觀的動能和勢能。如空氣的流動形成風能，可以引起飛沙走石、塵土飛揚；水的自然落差所形成的水力能，可以帶動水磨、風車等，這些都是人類認識和利用最早的機械能形式。具體而言，動能是指係統（或物體）由於機械運動而具有的做功能力。勢能與物體的狀態有關，如物體由於受重力作用，在不同的高度而具有不同的重力勢能；物體由於彈性變形而具有彈性勢能；在不同物質的分界麵上，或同類物質的不同相的分界麵上，由於存在表麵張力而在分界麵上具有表麵能。
（2）熱能：熱能微觀上是構成物質分子運動的動能和勢能的總和，分子運動包括分子的移動、轉動和振動，宏觀上表現為溫度的高低，反映了分子運動的劇烈程度。從表麵上我們並不能感受到一個物體所含熱能的多少，但我們可以明顯分辨出物體的熱或涼，也就是溫度的高低。熱能是人類使用最廣泛的一種基本能量形式，如人體生理活動需要熱量，當我們感覺冷時需要穿厚衣服以保存熱量，或者通過火爐、空調提供熱量；當我們感到饑餓時需要進食以補充熱量，我們吃的食物需要通過加熱來熟化；工業生產中需要熱量來加熱物料等。所有其他形式的能量都可以轉換為熱能。實際應用中有85%～90％的能源都要轉換成熱能後再加以利用，如常規能源中燃料含有的化學能一般須首先轉化為熱能，新能源中太陽能、核能均可轉化為熱能，地熱能和海洋熱能等本身含有的就是熱能。地熱能是地球上最大的熱能資源。
（3）化學能：化學能是物質結構能的一種，即在原子核外進行化學變化時釋放出來的一種能量。按照化學熱力學的定義，物質或物係在化學反應過程中以熱能形式釋放的內能稱為化學能。人們普遍利用放熱反應使化學能轉變為熱能。比如目前人們使用的各種礦物燃料（煤炭、石油、天然氣）的燃燒過程，是化學能轉化為熱能的典型過程。
一般礦物燃料中主要可燃成分是碳和氫，燃燒過程中主要是碳和氫的化學變化，燃燒相同質量的氫所釋放的熱量約為碳的4倍，所以燃料中含氫量越高其熱值就越高。
（4）電能：電能是由帶電荷物體的吸力或斥力引發的能量，是和電子的流動與積累相關的一種能量。在家庭生活中我們經常使用電視機、洗衣機、電冰箱、微波爐、電熱鍋、熱水器等電器，在辦公室工作中我們離不開電腦、打印機、複印件、空調等電器，在工業生產中許多動力機械需要用電機驅動，等等。假如沒有電，這些電器隻不過是一堆廢鐵而已。可見，電能是目前人們使用最多也最方便的二次能源，沒有電就沒有現代社會的文明。目前我們使用的電能主要通過發電機由機械能轉換而來，或由電池中的化學能轉換而來。另外，電能也可由光能、核能轉換，或由熱能直接轉換（磁流體發電）。反之，電能通過電動機也可以轉換為機械能，從而顯示出電能的做功本領。