§§§第1节能源与人类
人类活动的依赖于能源和材料，能源和材料也伴随着人们生活的每一步，可以说人类的历史是对能源和材料发现、利用的历史。大自然为人类提供了丰富的水、煤、石油、天然气、金属。人类依靠它们创造了辉煌的地球文明。
在人类发展史的早期阶段，直接获取的自然财富被用于满足最简单的需要。自然财富、原料、材料、产品阶段几乎是协调一致的。由于没有分工，并且只不过是满足自身的直接需要，所以精加工的劳动比重很小。随着分工程度深化，对在自然界寻觅到的原始材料进行加工的兴趣提高了。此后，长期以来所形成的社会关系，不断提供新的途径来更多地生产消费品和改善居住条件。如果人类想要改善生活条件，那么无论在哪个社会阶段，都必须以发展技术及与此相联系的材料使用为前提。人身体上的“工具”、“发动设备”和感官均有局限性，如果没有相应数量、质量、形式和布局的一定材料，没有必要的知识和技能，人类便会停留在原始阶段。
数百万年前，人类摆脱了动物界，开始有意识地使用石头。除了骨头之外，石头是人类最早使用的材料之一。起初这种材料造型粗糙，但后来经过加工，使人类得以掌握多倍于体力的力量，人类被迫发展那些在环境斗争中取胜的能力。人类先是用石头和骨头制成简单、基本的工具来补充手掌、手指、指甲和牙齿的功能。这些工具是手握的。当他们获得了不仅使用原始石头，而且进行加工的能力后，几乎等于完成了一次革命。当人类约在50万年前使用火时，石料的价值就更大了。人类是由劳动创造的，劳动又是从制造工具开始的。在已经发现的旧石器时代的人类遗址里，可以看到我们的祖先用石头打磨制成的石刀、石斧、刮削器等，这些就是人类早期曾经用过的工具。劳动工具的出现，也带来了社会物质和人类文明的进步。
石器的使用历史最为漫长，达二、三百万年之久。后来由于生产力的发展，我们的祖先在不断改进石器和寻找石料的劳动中，发现了天然铜块（自然铜），把它加热锻打，加工成各种器物。铜首次被有意识地用来作为材料。
后来又发现把锡矿石加到铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧耐磨，这就是青铜。一般来说，原始的农业、手工业和文字是青铜时代的特征。
铁的出现，在很大程度上与陨铁的发现有关，但铁矿开采可能与铜矿开采有关。铁加工曾有技术中心，一个中心是西亚，另一个中心是中国。在那里，当时正向最早期的机械过渡（使用动物和水轮作动力的最老的机器），直到18、19世纪的工业革命才从数量和规模上超越了这个阶段。越来越多的手工业者能自力开采和加工金属，少数锻工场有加工和制作最精良铜材的技术。淬火钢获得了声誉，古代称之为塞乐铁。为获得熔化金属矿石达到的温度，使用了木炭。但如果没有充分的氧气，木炭最高只能达到900℃，被熔碴污染的初级产品在炽热状态下加以锤打，使其净化，从而可得到可锻铁。
根据考古挖掘和现有的文献来判断，铁在公元前12世纪最终占据了统治地位。
而蒸汽机的发明使人类进入了现代工业社会，由它所带来的财富是以往任何时代所不能相比的，而石油的发现又为现代工业注入了新的血液，使其以惊人的速度发展，揭开了人类生活崭新的一页。
然而，大自然所给予人类的财富并不是无限的。
随着经济的发展和能源材料消耗量的大幅度增长，首先是能源的储量、生产和使用之间的矛盾将会日益突出，成为世界各国面临的亟待解决的重大问题之一。
现在，能源已向人类发出了挑战。据专家们估计，在前面提到过的世界常规能源中，除煤炭因为储量较多尚可维持较长时间外，目前已探明的石油储量将于2020年左右开采完毕；一些工业发达国家的天然气也将在2020年被用完；而发展中国家在2060年也将会发生天然气短缺。另外，煤炭资源虽然较丰富，但是直接使用煤炭既不能充分利用它的能量和资源，还会对环境造成污染。
面对能源紧张情况，世界各国除了充分利用现有的传统能源外，都在大力研究开发新能源。同时，在开发新能源之际，人们还在寻求各种方法、采取各种措施节约能源，并防止或减轻对环境的污染。
于是，水能、风能、太阳能成为人们研究的热点并开始为人类服务；一种崭新的能源——核能也进入人类的生活且发挥着不可替代的作用。
自然界所给予的原材料也越来越无法满足现代工业的需要。在寻找新能源的同时，人们也在努力开发新的材料。于是，人工复合材料诞生了。新能源、新材料的利用，揭开了人类历史灿烂的一页。
§§§第2节能源和材料的发展
燃料——天然气和石油
石油是现代世界一次能源消费构成中的主要能源，据1990年的资料统计，石油在世界一次能源消费构成中占38.6％，居第一位；在我国占16.6％，仅次于煤炭居第二位。截止1990年底，世界石油剩余可采储量为1364.9亿吨，1990年全世界原油产量为30.16亿吨，储产比为45.3年，也就是说按现有的开采能力，在不增加新的石油含量的情况下，剩余石油开采45.3年就能开采光。我国已探明的石油可采储量为30.16亿吨，居世界第10位；1990年原油产量为1.38亿吨，居世界第5位，石油储产比为21.8年。
至1990年，世界已探明天然气量储量大约为1，190，955亿立方米，在世界一次能源构成中占21.7％，仅次于煤炭和石油，居第三位。我国已探明的天然气储量为9，990亿立方米，居世界第9位。1990年我国天然气产量为147亿立方米，在一次能源消费构成中占2.1％，次于煤炭、石油、水电，居第四位。
石油产品的范围从液化石油气开始，中间是石油化工原料、燃料和润滑油料，一直到沥青。原油在加工过程中还会释放出大量的石油。石油加工后，可以得到利用率高、经济、合理的各种液体燃料，主要为内燃机燃料、锅炉燃料和煤油三类。其他的石油产品主要有润滑油、蜡、沥青以及石油化工产品如石油溶剂、乙烯、丙烯和聚乙烯等。
天然气是一种混合气体，其主要成分为甲烷。天然气作为燃料容易燃烧、清洁无灰渣、热值高而且不污染环境。用天然气加热锅炉生产蒸汽投资省，且热效率高，能够适应突然的负荷变化。用天然气代替焦炭，可提高生产率30％。
天然气和石油一样是非常重要的基本有机化工原料。从天然气中分离出来及从石油炼厂汽中回收和分离的许多物质是最基本的化工原料，并可进一步制造、转化出多种化工产品，如合成纤维、合成橡胶、合成塑料和化肥等产品。天然气化工产品具有用途广、成本低、产值高和发展快等优点，因此，天然气的转化利用对国民经济建设和人民生活都十分重要。
工业革命的动力
18世纪是技术革新的世纪。对行将到来的基础材料工业发展来说，最重要的发明是英国掌握了用硬煤炼焦并用于为炼铁输入能量。后来很快就发明了搅炼法。这种炼钢法可使用硬煤而不使其接触铁。1856年，在把常压空气鼓进一个转炉内将铁变为钢的时候，引起了极大轰动。19世纪，西汀丁——马丁法和托马斯法标志着炼钢技术的完善。
在此，涉及材料史上一个新的历史阶段。因为它是科学技术革命以前，人类历史上整个生产力系统第一次革命性转变的标志。
18世纪中期，可以看出当时最进步的国家（如英国）的技术发展趋势，这种发展在数十年内即导致阶级结构发生史无前例的变化，这就是18、19世纪的工业革命。
工业革命后，英国的钢铁产量大幅度上升，年产量从一万吨猛增到130万吨。钢铁、无机化工材料、机械等工业产品占世界总产量一半以上，获得了“世界工厂”的称号。这次工业革命，正如1848年《共产党宣言》中所说的：
“资产阶级在它的不到100年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要多，还要大。”
20世纪前半期，则是以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发展为标志的。放射性材料镭和钋发现以后，核裂变原理取得重要成果，核能开始被利用。飞机的革新是与航空材料的进步密切相关的；1927～1931年是化工技术发生转折的时期，继塑料以后，合成橡胶和合成纤维材料相继问世，有机合成材料工业进入一个崭新阶段；20世纪初，内燃机技术取得突破，汽车开始大量生产，还有1945年世界上第一台电子计算机的发明，1957年第一颗人造卫星上天等。
当今世界，我们正面临着又一场新的技术革命——有人称之为第四次工业革命。这次革命是以信息科学、材料科学和生物科学为前沿的。世界科技界权威人士认为，这场工业技术革命所带来的影响和创造的社会财富，将远远超过历次工业革命。
农业现代化的关键
农业现代化是一场伟大的技术革命，它的核心是工具和其他技术手段的变革。农业现代化最显著的特征是要在生产中大量采用各种先进的工业技术和新材料，换句话说，现代化农业要由工业部门投入大量物资，用现代工业的装备武装农业。
农业现代化包括的内容很多，大体可归纳为：农业机械化、农业工厂化、农业电气化以及农业和技术装备的一体化。不言而喻，材料都是它们当中当然的“主角”。拿农业机械来说，它包括农田基本建设机械、耕作机械、排灌机械、植物保护机械、收获机械、农业运输机械、农副产品加工机械以及畜牧机械等等。
军事现代化的当务之急
实现国防现代化，一个重要的标志是要使武器和装备现代化。具体地说，就是要有现代化的战略战术武器和先进的兵器，要有高度可靠的现代化指挥通信工具和情报侦察手段，还要有适应于现代化战争的后勤和工程支援。显然这一切都与材料结下了不解之缘。因为单就武器来讲，不论是常规武器（如枪炮、弹药和坦克、军用飞机），还是现代化武器（如原子弹、氢弹、中子弹、核潜艇等），哪一样都离不开材料，尤其是性能优异的新型材料。
战争中一种武器或装备的克敌制胜，在很大程度上是由制造这种武器、装备的材料决定的。
这也说明，为了赢得战争的主动权和实现国防现代化，在国防建设和军事工程中，往往要把新材料的研制作为当务之急，道理就在这里。
§§§第3节开发新能源
能源宝库——太阳
太阳是一种炽热的气体球，蕴藏着无比巨大的能量。地球上除了地热能和核能以外，所有的能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源之母”。没有太阳能，就不会有人类的一切。
自古以来，人们就注意利用太阳能。早在几千年前，我们的祖先就曾用“阳燧”这种简单的器具向太阳“取火”，开辟了人类利用太阳能的新纪元。
古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光，一举烧毁了敌人的帆船队。然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，直到最近的二三十年内才真正开始。
1945年，美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的新时代。
人们利用太阳能的方法主要有三种，一种是使太阳能直接转换成电能，即光电转换，太阳能电池就属于这种转换方式；第二种是使太阳能直接转变成热能，即光热转换，如太阳能热水器等；第三种是使太阳能直接转变成化学能，即光化学转换，如太阳能发电机等。
对太阳能这种新能源的开发和利用，当前还仅处于初始阶段。随着科学技术的发展和人们对能源日益增长的需要，太阳能的开发利用必将出现一个蓬勃发展的新局面。
未来时代将是太阳能大显身手的时代，在我国的现代化建设中，太阳能也将发挥越来越重要的作用。太阳能亟待开发！
太阳能电站
通常人们所说的太阳能电站，指的是太阳能热电站，这是因为这种发电站先将太阳光转变成热能，然后再通过机械装置转变成电能。
太阳能电站能量转换的过程是：利用集热器（聚光镜）和吸热器（锅炉）把分散的太阳辐射能汇聚成集中的热能，经热转换器和汽轮发电机把热能变成机械能，再变成电能。它与一般火力发电厂的区别在于，其动力来源不是煤或燃油，而是太阳的辐射能。一般来说，太阳能电站多数采用在地面上设置许多聚光镜，以不同角度和方向把太阳光收集起来，集中反射到一个高塔顶部的专用锅炉上，使锅炉里的水受热变为高压蒸汽，用来驱动汽轮机，再由汽轮机带动发电机发电。
太阳能电池
要将太阳向外辐射的大量光能转变成电能，就需要采用能量转换装置。
太阳能电池实际上就是一种把光能变成电能的能量转换器，这种电池是利用“光生伏打效应”原理制成的。光生伏打效应是指当物体受到光照射时，物体内部就会产生电流或电动势的现象。
单个太阳能电池不能直接作为电源使用。实际应用中都是将几片或几十片单个的太阳能电池串联或并联起来，组成太阳能电池方阵，便可以获得相当大的电能。
太阳能电池的效率较低，成本较高，但与其他能源相比，它具有可靠性好、使用寿命长、没有转动部件、使用维护方便等优点，所以得到较广泛的应用。
太阳能空间电力站
在太阳能利用中，发展前景最为诱人的要算在宇宙空间建立太阳能电力站的宏伟计划了。
众所周知，太阳光经过大气层到达地球表面时，已经大大减弱。而到达地面的阳光，又有1/3被反射回空间。因此，在大气层以上接收太阳能要比在地球上接收的太阳能多四倍以上。在这种情况下，人们就萌发了一个大胆的设想，要把太阳能发电站搬到宇宙空间去，以便得到更多的太阳能，以避免地面太阳能电站接收太阳光时断时续的缺点。
要达到这一目的，就必须研制一种太阳能动力卫星，并把它发送到距地面3.5万多公里高，而且与地球同步的轨道上（在这一轨道上，卫星绕地球运行一圈的时间，正好与地球自转一周的时间相同），这样可以用它把太阳能直接引到地球上。
在动力卫星上装有巨大的太阳能电池板，能把太阳能直接转换成电能，然后再将电能转换成微波束发回地面。地面接收站通过巨型天线，可将动力卫星送回地面的微波能重新转换成电能。
大放异彩的风能
在自然界，风是一种巨大的能源，它远远超过矿物能源所提供的能量的总和，是一种取之不尽、尚未得到大量开发利用的能源。