(共50张PPT)
第6章 能源与可持续发展
第1节 能量的多种形式 第2节 能量的转化与守恒
第3节 珍惜大自然
核心素养：1.理解电功与电功率的概念；知道焦耳定律的物理意义；了解纯电阻电路 和非纯电阻电路中能量的转化；从能量转化和能量守恒的角度理解电功与电热的区 别. 2.知道电流做功的过程就是电能与其他形式能量转化的过程. 3.能从能量的转化 角度推导焦耳定律，关注焦耳定律在生活、生产中的应用. 4.了解科学技术与社会环 境的关系，具有节约能源的意识，培养自觉保护环境的行为习惯. 5.了解自然过程及 能量转化具有方向性，了解熵的概念. 6.能用能量转化的方向性分析解决实际问题.
第*页
研习任务一 能量的多种形式
合作 讨论
如图所示，这是新型的发电装置.
探究：你知道图片中的装置是利用了什么能量发电的吗？这种能源是可再 生能源吗？
提示：风能 是
教材 认知
1. 多种形式的能量
能量形式 内涵
机械能 包括动能、 、弹性势能
内能 一切物体都有内能，同一物体温度越高，具有的内能
电能 指电以各种形式 的能力
光能 光具有的
化学能 储存在 或燃料等物质中的能量
核能 物质的原子核结构 而释放的能量
重力势能
越大
做功
能量
食物
发生变化
一次能源
二次能源
煤
石
油
天然气
核心 归纳
1. 能源的分类
能源分
类方法 能源分类名称 特点 举例
按是否
可再生 可再生能源 可循环使用、
不断补充 水能、风能、潮汐能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气
按对环
境污染
情况 清洁能源 对环境基本没有污染 太阳能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 煤、石油、天然气
2. 能源和环境污染
（1）温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对 长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不 让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应.
（2）酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水.形成酸雨的主要原 因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升 高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤.
（3）光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应， 产生氮氧化合物和碳氢化合物.这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污 染物质——光化学烟雾.这些物质有毒，能引起人的多种疾病.
（4）常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物.
A. 由于自然界中的能量是守恒的，所以不需要节约能源
B. 在利用能源的过程中，总能量在数量上并未减少
C. 能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D. 人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
[解析] 虽然自然界中的能量是守恒的，但在能源的使用过程中，能量可利用的品质 会下降，所以需要节约能源，故A错误；根据能量守恒定律，在利用能源的过程中， 总能量在数量上并未减少，故B正确；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性， 故C错误；根据能量守恒定律可知，能量不可以被创造，故D错误.
B
能量的耗散虽然不会使能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，从便于利用 的能源变成不便于利用的能源.因此，自然界的能量虽然是守恒的，我们还是要节约 能源.
A. 能量耗散说明能量在不断的减少
B. 能量耗散遵循能量守恒定律
C. 能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失
D. 能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
解析：能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会不断减少，A错误；能 量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化必须遵循能量守恒定律，B正确；能量 既不能凭空产生，也不能凭空消失，C错误；能量耗散是一个宏观过程，代表着能量 向不可收集利用的方向转化，D正确.
BD
第*页
研习任务二 能量的转化与守恒
合作 讨论
如图是用一台蒸汽机和一台发电机建立的模型发电站，将这个模型发电站与小灯 泡连接起来，就可以供电了.
请分析该模型发电站工作时各种形式的能量是如何转化的.
模型发电站示意图
提示：蒸汽机将蒸汽的内能转化为蒸汽轮机的机械能，蒸汽轮机带动发电机转 动，将机械能转化为电能使小灯泡发光.
提示：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，任何事物都不可 能违背能量守恒定律.
转移
转化
产生
消
失
转化
转移
保持不变
核心 归纳
1. 能量的存在形式及相互转化
（1）含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，又如流动的河 水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流 动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能.
（2）能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转 化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物 体的能量增加.
（3）功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的 过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化（或转 移），因此，功是能量转化（或转移）的量度.
2. 应用能量转化与守恒解题的步骤
（1）首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量 的具体形式.
（2）分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式.
（3）依据ΔE减＝ΔE增列式求解.
研习 经典
[典例2] 如图所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10V 9 W”的 电子节能灯工作，若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2，平均1小时得到 的太阳辐射能为4×105 J，太阳光平均一天按8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作 10小时.问：（结果保留整数）
（1）太阳能节能灯的能量转化情况；
[解析]（1）能量转化：太阳能→电能→光能（热能）.
[答案]（1）见解析
（2）太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少？
[答案]（1）见解析（2）370 W
（3）太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？
[答案]（1）见解析（3）10％
利用能量守恒定律解题的基本思路
（1）分清有哪几种形式的能（如机械能、内能、太阳能等）在变化.
（2）分别列出减少的能量和增加的能量的表达式.
（3）利用能量守恒定律列式求解.
A
A. 200 J B. 250 J
C. 300 J D. 500 J
第*页
研习任务三 自然过程的方向性
合作 讨论
如图是小型汽油机模型.
（1）汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
提示：（1）汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的 内能转化为飞轮的机械能.
（2）内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
提示：（2）不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能 全部转化为机械能.
内能
方
向性
自动地
低温
高温
完全变成
方
向性
完全
自动
地
任何变化
核心 归纳
1. 热传导具有方向性
两个温度不同的物体相互接触时，热量会自动地从高温物体传给低温物体，而低温物 体不可能自动地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借 助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化.
2. 气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自动地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合 气体，不会自动地分开成为两种不同的气体.
3. 机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出 去的热量后，在地面上重新运动起来的情况.
提醒：所有与热有关的宏观现象都具有方向性，是不可逆的.
A. 一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B. 一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C. 由自然过程的方向性可以判断物理过程能否自动进行
D. 一切物理过程都不可能自动地进行
[解析] 能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A正确；有些物理过程不违背能 量守恒定律，但是不能实现，例如第二类永动机不可能制成，B错误；在热传递的过 程中，能量可以自动地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自动地进行，C 正确，D错误.
AC
BC
A. 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B. 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C. 电冰箱的工作原理不违背能量守恒定律
D. 电冰箱的工作原理违背了能量守恒定律
解析：能量守恒适用于所有的热学过程，C正确、D错误；热量不能自发地从低温物 体传递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做 功，A错误、B正确.
A. 在一绝热容器内盛有液体，通过不停地搅动使液体的温度升高
B. 在一个传热的容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，不停地搅动液体， 但液体的温度不变
C. 用一根不可伸长的细轻绳悬挂一个小球，上端固定，把小球拉离平衡位置由静止 释放（不计阻力），小球会摆动
D. 在一绝热容器内，不同温度的气体进行混合
解析：在A、B、D所述的三个过程中，都涉及了热现象，即A中是通过做功使机械能 转化为内能，B中是通过做功使机械能转化为内能及“热传导”，D中是“热传 导”，所有过程都不可逆，对于C中的过程，只涉及动能与势能的转化，不涉及热现 象，此过程是可逆的.
C
第*页
研习任务四 熵的理解
合作 讨论
如图所示，在第一幅图片中积木按照一定的排列规则搭建成一个城堡的样子；在 第二幅图片中积木无序排列.
（1）从有序性和无序性的角度说明两幅图片有何不同？
提示：（1）在第一幅图片中所有的积木 是有序的，第二幅图片中积木无序排列.
（2）两幅图片对应的宏观态有何不同？
提示：（2）第一幅图片对应的宏观态是 唯一的，第二幅图片对应的宏观态可能具有无 数种.
核心 归纳
1. 熵的含义
（1）熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵 就越大.
（2）在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不 变；如果过程不可逆，则熵增加.
2. 对熵增的理解：熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更 大的方向发展.
3. 熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定.从分子运动论的观点 来看，熵是分子热运动无序（混乱）程度的定量量度.
4. 熵的增加意味着无效能量的增加.
A. 大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B. 热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
C. 热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态 转化的过程
D. 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
[解析] 分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微 观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更 加无序，而不是变成了有序.热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度 小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，故A、B错误，C、D正确.
CD
A. 熵越大，系统的无序程度越大
B. 对于一个不可逆的绝热过程，其熵增大
C. 气体向真空扩散时，熵值减小
D. 自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多
解析：熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序程度越大，A正确；不可 逆的绝热过程，其宏观态对应的微观态数目增大，其熵会增大，不会减小，B正确； 气体向真空中扩散时，无序程度增大，熵值增大，C错误；自然过程中，无序程度较 大的宏观态出现的概率较大，因为通向无序的渠道多，D正确.
ABD
第*页
课后提素养
√
√
√
×
A. 电能是二次能源
B. 水能是二次能源
C. 天然气是一次能源
D. 煤气是一次能源
解析：由一次能源和二次能源的定义判定，A、C正确.
AC
A. 重力势能减少，动能不变，机械能减少
B. 重力势能减少，动能增加，机械能减少
C. 重力势能减少，动能增加，机械能增加
D. 重力势能减少，动能增加，机械能守恒
解析：儿童加速滑下，高度不断减小，重力势能减少；速度增大，动能增加；儿童在 下滑过程中与滑梯摩擦生热，一部分机械能转化为内能，导致机械能减少，故B正 确，A、C、D错误.
B
A. 因为能量在转化过程中是守恒的，所以是不会有能源危机的
B. 电能是广泛使用的一次能源
C. 目前的核电站都是利用核聚变释放的核能来发电的
D. 以风能、太阳能等为代表的可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向
解析：能源在转化过程中虽然守恒，但并不是所有的能源都能够被人类所利用，目前 作为人类主要能源的化石能源正逐渐被消耗，A错误；电能不能从自然界直接获取， 是二次能源，B错误；目前的核电站是通过核裂变来发电的，C错误；以风能、太阳 能等为代表的可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向，D正确.
D
A. 能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了
B. 能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品 质上降低了
C. 能量耗散表明，能量守恒定律具有一定的局限性
D. 能量不可能耗散，能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意 的方向性
B
解析：能量虽然有耗散但总的能量是守恒的，在转化的过程中总量不会减少，故A、 C错误；能量耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但是在可利用 的品质上降低了，故B正确；宏观自然过程自发进行有其方向性，能量耗散就是从能 量转化的角度反映了这种方向性，故D错误.
A. 利用太阳能、风能和氢能等能源替代化学能源可以改善空气质量
B. 人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C. 水电站里的发电机装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化 为电能
D. 核能对环境的污染比常规能源对环境的污染大
A
解析：改善空气质量，就应该从根本上减少碳排放量，用新能源代替传统的化石能 源，节能减排，A正确；能量是守恒的，既不能创造也不可能消失，但能量品质会下 降，故要节约能源，B错误；由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦，故该装置不 可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，C错误；核能属于新能源，是一种 清洁能源，D错误.
A. 都存在物体克服阻力做功
B. 都是重力势能转化为内能
C. 都是动能转化为其他形式的能
D. 都是其他形式的能转化为机械能
解析：三个过程都克服阻力做功；下雨时，雨滴在空中先加速下降，机械能转化为内 能；流星在空中坠落并发出明亮的光是机械能转化为内能和光能；双手搓动时手发烫 是机械能转化为内能.所以都是机械能转化为其他形式的能.故选A.
A
[基础训练]
1
2
3
4
5
A. 光电池板是将电能转化为光能
B. 照明灯是将内能转化为电能
C. 小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能
D. 蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能
解析：这种新能源的路灯，“肩扛”太阳能电池板可以把太阳能转化为电能，选项A 错误；照明灯消耗电能而发光，是将电能转化为光能，选项B错误；“头顶”的小风 扇可以把风能转化为电能，选项C正确；蓄电池在夜晚放电时，将化学能转化为电 能，选项D错误.
C
A. 充电时电能全部转化为汽车的机械能
B. 充电时电能全部转化为锂电池的化学能
C. 汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能
D. 汽车匀速运动时锂电池减少的化学能全部转化为汽车动能
解析：充电时电能转化为锂电池的化学能，但不是全部转化，故A、B错误；汽车加 速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能，部分转化为其他形式的能，故C 正确；汽车匀速运动时动能不变，锂电池减少的化学能全部转化为其他形式的能，故 D错误.
C
1
2
3
4
5
A. 排放废气不仅浪费能源，而且严重违反能量守恒定律
B. 排放废气引起能量的耗散，但并没有违反能量守恒定律
C. 当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等 污染治理
D. 能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化
解析：排放废气浪费能源，引起能量的耗散，但不违反能量守恒定律，故A错误，B 正确；当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理，故 C正确；能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化，故D正确.
A
1
2
3
4
5
A. 减小的动能全部转化为电能，即增加的电能等于减小的动能
B. 减小的动能全部转化为电能，并且增加的电能小于减小的动能
C. 减小的动能有一部分转化为电能，即增加的电能小于减小的动能
D. 该过程动车组列车损失的机械能等于增加的电能
解析：第一阶段减速过程中，由于速度变小，所以动能变小，由于继续行驶并带动发 电机发电，故将一部分动能转化为电能.减小的动能有一部分转化为电能，另一部分 克服阻力做功，即电能小于减小的动能，故C正确，A、B、D错误.
C
1
2
3
4
5
[能力提升]
5. 太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场.风力发电是 利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的.某地区安装有2台超大型风力 发电机，每片扇叶长达80 m，该地区常年的平均风速v＝5.0 m/s，风向跟叶片转动的 圆面垂直，空气的密度ρ＝1.25 kg/m3，风力发电机的叶片转动时可形成半径R＝80 m 的圆面.已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10％转化为电能.
（1）求每台风力发电机的发电功率P；
答案：（1）1.57×105 W
1
2
3
4
5
（2）已知标准煤的热值q＝3.0×107 J/kg，则该风力发电场年发电量相当于燃烧多少 标准煤产生的热量？
解析：（2）2台风力发电机发电的功率为2P，年发电时间t＝ 365×24×3 600 s
设年发电量为E，则有E＝2Pt，E＝qm
解得m＝3.30×105 kg.
答案：（2）3.30×105 kg
1
2
3
4
5第6章 能源与可持续发展
第1节 能量的多种形式
第2节 能量的转化与守恒
第3节 珍惜大自然
核心素养：1.理解电功与电功率的概念；知道焦耳定律的物理意义；了解纯电阻电路和非纯电阻电路中能量的转化；从能量转化和能量守恒的角度理解电功与电热的区别. 2.知道电流做功的过程就是电能与其他形式能量转化的过程. 3.能从能量的转化角度推导焦耳定律，关注焦耳定律在生活、生产中的应用. 4.了解科学技术与社会环境的关系，具有节约能源的意识，培养自觉保护环境的行为习惯. 5.了解自然过程及能量转化具有方向性，了解熵的概念. 6.能用能量转化的方向性分析解决实际问题.
能量的多种形式
合作 讨论
如图所示，这是新型的发电装置.
探究：你知道图片中的装置是利用了什么能量发电的吗？这种能源是可再生能源吗？
提示：风能 是
教材 认知
1.多种形式的能量
能量形式 内涵
机械能 包括动能、 重力势能 、弹性势能
内能 一切物体都有内能，同一物体温度越高，具有的内能 越大
电能 指电以各种形式 做功 的能力
光能 光具有的 能量
化学能 储存在 食物 或燃料等物质中的能量
核能 物质的原子核结构 发生变化 而释放的能量
2.可再生能源和不可再生能源
（1）能源可分为 一次能源 和 二次能源 .
（2）一次能源是指直接取自自然界，未经加工转化的能源，如 煤 、 石油 、 天然气 等.
（3）二次能源是指由一次能源加工转化而成的能源产品，如电、煤气、蒸汽及各种石油制品.
（4）一次能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能等）和不可再生能源（煤、石油、天然气、油页岩等）.
核心 归纳
1.能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按是否可再生 可再生能源 可循环使用、不断补充 水能、风能、潮汐能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气
按对环境污染情况 清洁能源 对环境基本没有污染 太阳能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 煤、石油、天然气
2.能源和环境污染
（1）温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应.
（2）酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水.形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤.
（3）光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物.这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾.这些物质有毒，能引起人的多种疾病.
（4）常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物.
研习 经典
[典例1] 关于能量和能源，下列说法正确的是（ ）
A.由于自然界中的能量是守恒的，所以不需要节约能源
B.在利用能源的过程中，总能量在数量上并未减少
C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
[解析] 虽然自然界中的能量是守恒的，但在能源的使用过程中，能量可利用的品质会下降，所以需要节约能源，故A错误；根据能量守恒定律，在利用能源的过程中，总能量在数量上并未减少，故B正确；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，故C错误；根据能量守恒定律可知，能量不可以被创造，故D错误.
[答案] B
能量的耗散虽然不会使能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源.因此，自然界的能量虽然是守恒的，我们还是要节约能源.
[训练1] （多选）在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散.对于能量耗散理解正确的是（ ）
A.能量耗散说明能量在不断的减少
B.能量耗散遵循能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失
D.能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
解析：能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会不断减少，A错误；能量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化必须遵循能量守恒定律，B正确；能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，C错误；能量耗散是一个宏观过程，代表着能量向不可收集利用的方向转化，D正确.
答案：BD
能量的转化与守恒
合作 讨论
如图是用一台蒸汽机和一台发电机建立的模型发电站，将这个模型发电站与小灯泡连接起来，就可以供电了.
请分析该模型发电站工作时各种形式的能量是如何转化的.
模型发电站示意图
提示：蒸汽机将蒸汽的内能转化为蒸汽轮机的机械能，蒸汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能使小灯泡发光.
教材 认知
1.能量的转移与转化：能量可以从一个物体 转移 到其他物体，也可以从一种形式 转化 为其他形式.
2.能量守恒定律：在一个孤立系统里，能量既不能凭空 产生 ，也不能凭空 消失 ，它只能从一种形式 转化 为其他形式，或者从一个物体 转移 到其他物体，在转化或转移的过程中，能量的总量 保持不变 .
3.第一类永动机：不需要任何动力或燃料就能不停运动的机器.
[思考] 能量守恒定律的适用条件是什么？
提示：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，任何事物都不可能违背能量守恒定律.
核心 归纳
1.能量的存在形式及相互转化
（1）含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能.
（2）能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加.
（3）功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化（或转移），因此，功是能量转化（或转移）的量度.
2.应用能量转化与守恒解题的步骤
（1）首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式.
（2）分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式.
（3）依据ΔE减＝ΔE增列式求解.
研习 经典
[典例2] 如图所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10 V 9 W”的电子节能灯工作，若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2，平均1小时得到的太阳辐射能为4×105 J，太阳光平均一天按8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作10小时.问：（结果保留整数）
（1）太阳能节能灯的能量转化情况；
（2）太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少？
（3）太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？
[解析] （1）能量转化：太阳能→电能→光能（热能）.
（2）太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率：P＝ W≈370 W.
（3）节能灯利用太阳能的效率：
η＝×100％≈10％.
[答案] （1）见解析 （2）370 W （3）10％
利用能量守恒定律解题的基本思路
（1）分清有哪几种形式的能（如机械能、内能、太阳能等）在变化.
（2）分别列出减少的能量和增加的能量的表达式.
（3）利用能量守恒定律列式求解.
[训练2] 构建和谐型、节约型社会深得民心，遍布于生活的方方面面.自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接.当骑车者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，自行车就可以通过发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来.某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行，第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化的关系如图中图线①所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化的关系如图中图线②所示，则第二次向蓄电池所充的电能是（ ）
A.200 J B.250 J
C.300 J D.500 J
解析：电动车在运动过程中的摩擦力大小不变，从题图看出，第二次的位移是第一次的.故节约的能量为初动能的，由能量守恒定律得所充的电能为Ek0＝×500 J＝200 J，A正确.
答案：A
自然过程的方向性
合作 讨论
如图是小型汽油机模型.
（1）汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
（2）内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
提示：（1）汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能.
（2）不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能.
教材 认知
1.能量转化和转移的方向性
（1）在大多数自发情况下，能量最终都转化为 内能 ，说明能量的转化具有 方向性 .
（2）内能总是 自动地 从高温物体向低温物体转移，而不可能自动地、不引起任何变化地从 低温 物体向 高温 物体转移.
2.第二类永动机：从单一热源中吸热使之 完全变成 有用功而不产生其他影响.
3.自然过程的方向性：自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有 方向性 的不可逆过程.机械能可以 完全 转化为内能；反过来，内能不可能 自动地 、并不引起 任何变化 地完全转化为机械能.
核心 归纳
1.热传导具有方向性
两个温度不同的物体相互接触时，热量会自动地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自动地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化.
2.气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自动地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，不会自动地分开成为两种不同的气体.
3.机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来的情况.
提醒：所有与热有关的宏观现象都具有方向性，是不可逆的.
研习 经典
[典例3] （多选）下列说法中正确的是（ ）
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C.由自然过程的方向性可以判断物理过程能否自动进行
D.一切物理过程都不可能自动地进行
[解析] 能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A正确；有些物理过程不违背能量守恒定律，但是不能实现，例如第二类永动机不可能制成，B错误；在热传递的过程中，能量可以自动地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自动地进行，C正确，D错误.
[答案] AC
[训练3] （1）（多选）如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化，吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外.下列说法正确的是（ ）
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违背能量守恒定律
D.电冰箱的工作原理违背了能量守恒定律
解析：能量守恒适用于所有的热学过程，C正确、D错误；热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功，A错误、B正确.
答案：BC
（2）下列哪些物理过程是可逆的（ ）
A.在一绝热容器内盛有液体，通过不停地搅动使液体的温度升高
B.在一个传热的容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，不停地搅动液体，但液体的温度不变
C.用一根不可伸长的细轻绳悬挂一个小球，上端固定，把小球拉离平衡位置由静止释放（不计阻力），小球会摆动
D.在一绝热容器内，不同温度的气体进行混合
解析：在A、B、D所述的三个过程中，都涉及了热现象，即A中是通过做功使机械能转化为内能，B中是通过做功使机械能转化为内能及“热传导”，D中是“热传导”，所有过程都不可逆，对于C中的过程，只涉及动能与势能的转化，不涉及热现象，此过程是可逆的.
答案：C
熵的理解
如图所示，在第一幅图片中积木按照一定的排列规则搭建成一个城堡的样子；在第二幅图片中积木无序排列.
（1）从有序性和无序性的角度说明两幅图片有何不同？
（2）两幅图片对应的宏观态有何不同？
提示：（1）在第一幅图片中所有的积木是有序的，第二幅图片中积木无序排列.
（2）第一幅图片对应的宏观态是唯一的，第二幅图片对应的宏观态可能具有无数种.
核心 归纳
1.熵的含义
（1）熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大.
（2）在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加.
2.对熵增的理解：熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展.
3.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定.从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序（混乱）程度的定量量度.
4.熵的增加意味着无效能量的增加.
研习 经典
[典例4] （多选）下列说法正确的是（ ）
A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B.热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
C.热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D.一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
[解析] 分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序.热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，故A、B错误，C、D正确.
[答案] CD
[训练4] （多选）下列关于熵的说法正确的是（ ）
A.熵越大，系统的无序程度越大
B.对于一个不可逆的绝热过程，其熵增大
C.气体向真空扩散时，熵值减小
D.自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多
解析：熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序程度越大，A正确；不可逆的绝热过程，其宏观态对应的微观态数目增大，其熵会增大，不会减小，B正确；气体向真空中扩散时，无序程度增大，熵值增大，C错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率较大，因为通向无序的渠道多，D正确.
答案：ABD
深刻剖析提升能力
基础 题组
1.思维辨析
（1）人骑自行车是将化学能转化为机械能.（ √ ）
（2）燃油汽车都是将化学能转化为机械能.（ √ ）
（3）只要有能量转移和转化，就一定遵从能量守恒定律.（ √ ）
（4）生物质能属于可再生能源，风能属于不可再生能源.（ × ）
2.（多选）能源可分为一次能源和二次能源.自然界直接提供的能源称为一次能源；需要依靠加工转化的能源称为二次能源.下列叙述正确的是（ ）
A.电能是二次能源
B.水能是二次能源
C.天然气是一次能源
D.煤气是一次能源
解析：由一次能源和二次能源的定义判定，A、C正确.
答案：AC
3.某儿童从公园中粗糙的滑梯上加速滑下，其能量的变化情况是（ ）
A.重力势能减少，动能不变，机械能减少
B.重力势能减少，动能增加，机械能减少
C.重力势能减少，动能增加，机械能增加
D.重力势能减少，动能增加，机械能守恒
解析：儿童加速滑下，高度不断减小，重力势能减少；速度增大，动能增加；儿童在下滑过程中与滑梯摩擦生热，一部分机械能转化为内能，导致机械能减少，故B正确，A、C、D错误.
答案：B
中档 题组
1.有关能源与可持续发展，下列说法正确的是（ ）
A.因为能量在转化过程中是守恒的，所以是不会有能源危机的
B.电能是广泛使用的一次能源
C.目前的核电站都是利用核聚变释放的核能来发电的
D.以风能、太阳能等为代表的可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向
解析：能源在转化过程中虽然守恒，但并不是所有的能源都能够被人类所利用，目前作为人类主要能源的化石能源正逐渐被消耗，A错误；电能不能从自然界直接获取，是二次能源，B错误；目前的核电站是通过核裂变来发电的，C错误；以风能、太阳能等为代表的可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向，D正确.
答案：D
2.热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象.所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把耗散的能量重新收集、重新加以利用.下列关于能量耗散的说法中正确的是（ ）
A.能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了
B.能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了
C.能量耗散表明，能量守恒定律具有一定的局限性
D.能量不可能耗散，能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性
解析：能量虽然有耗散但总的能量是守恒的，在转化的过程中总量不会减少，故A、C错误；能量耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但是在可利用的品质上降低了，故B正确；宏观自然过程自发进行有其方向性，能量耗散就是从能量转化的角度反映了这种方向性，故D错误.
答案：B
3.2021年6月11日，我国成功将北京三号卫星送入预定轨道，如图所示卫星两翼的太阳能电池板把太阳能转化为电能供卫星使用.关于太阳能等能源与可持续发展，以下说法正确的是（ ）
A.利用太阳能、风能和氢能等能源替代化学能源可以改善空气质量
B.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C.水电站里的发电机装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
D.核能对环境的污染比常规能源对环境的污染大
解析：改善空气质量，就应该从根本上减少碳排放量，用新能源代替传统的化石能源，节能减排，A正确；能量是守恒的，既不能创造也不可能消失，但能量品质会下降，故要节约能源，B错误；由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦，故该装置不可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，C错误；核能属于新能源，是一种清洁能源，D错误.
答案：A
4.下雨时，雨滴在空中先加速下降，后匀速下降；流星在空中坠落并发出明亮的光；双手搓动时手发烫.对这三个过程的描述，下列说法正确的是（ ）
A.都存在物体克服阻力做功
B.都是重力势能转化为内能
C.都是动能转化为其他形式的能
D.都是其他形式的能转化为机械能
解析：三个过程都克服阻力做功；下雨时，雨滴在空中先加速下降，机械能转化为内能；流星在空中坠落并发出明亮的光是机械能转化为内能和光能；双手搓动时手发烫是机械能转化为内能.所以都是机械能转化为其他形式的能.故选A.
答案：A
课时作业（三十一） 能源与可持续发展
[基础训练]
1.如图是城市照明中常使用的“风光互补”景观照明灯.它“头顶”小风扇，“肩扛”光电池板，“腰挎”照明灯，“脚踩”蓄电池.下列解释合理的是（ ）
A.光电池板是将电能转化为光能
B.照明灯是将内能转化为电能
C.小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能
D.蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能
解析：这种新能源的路灯，“肩扛”太阳能电池板可以把太阳能转化为电能，选项A错误；照明灯消耗电能而发光，是将电能转化为光能，选项B错误；“头顶”的小风扇可以把风能转化为电能，选项C正确；蓄电池在夜晚放电时，将化学能转化为电能，选项D错误.
答案：C
2.为了节能减排，我国大力发展新能源汽车.如图所示，电源正在给电动汽车中的锂电池充电，下列说法正确的是（ ）
A.充电时电能全部转化为汽车的机械能
B.充电时电能全部转化为锂电池的化学能
C.汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能
D.汽车匀速运动时锂电池减少的化学能全部转化为汽车动能
解析：充电时电能转化为锂电池的化学能，但不是全部转化，故A、B错误；汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能，部分转化为其他形式的能，故C正确；汽车匀速运动时动能不变，锂电池减少的化学能全部转化为其他形式的能，故D错误.
答案：C
3.针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象，下列说法错误的是（ ）
A.排放废气不仅浪费能源，而且严重违反能量守恒定律
B.排放废气引起能量的耗散，但并没有违反能量守恒定律
C.当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理
D.能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化
解析：排放废气浪费能源，引起能量的耗散，但不违反能量守恒定律，故A错误，B正确；当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理，故C正确；能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化，故D正确.
答案：A
4.动车组列车进站前的减速过程分为两个阶段进行：第一阶段来用“再生刹车”技术，速度从250 km/h减至90 km/h，这期间停止动力供给，列车依靠惯性继续前行，并带动发电机发电；第二阶段采用机械刹车，速度从90 km/h开始不断减小直至停止.假设轨道平面水平，则对刹车过程的第一阶段，下列说法中正确的是 （ ）
A.减小的动能全部转化为电能，即增加的电能等于减小的动能
B.减小的动能全部转化为电能，并且增加的电能小于减小的动能
C.减小的动能有一部分转化为电能，即增加的电能小于减小的动能
D.该过程动车组列车损失的机械能等于增加的电能
解析：第一阶段减速过程中，由于速度变小，所以动能变小，由于继续行驶并带动发电机发电，故将一部分动能转化为电能.减小的动能有一部分转化为电能，另一部分克服阻力做功，即电能小于减小的动能，故C正确，A、B、D错误.
答案：C
[能力提升]
5.太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场.风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的.某地区安装有2台超大型风力发电机，每片扇叶长达80 m，该地区常年的平均风速v＝5.0 m/s，风向跟叶片转动的圆面垂直，空气的密度ρ＝1.25 kg/m3，风力发电机的叶片转动时可形成半径R＝80 m的圆面.已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10％转化为电能.
（1）求每台风力发电机的发电功率P；
（2）已知标准煤的热值q＝3.0×107 J/kg，则该风力发电场年发电量相当于燃烧多少标准煤产生的热量？
解析：（1）设单位时间（t0＝1 s）内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek，则有V＝πr2vt0，Ek＝ρVv2，Pt0＝10％Ek
解得P＝1.57×105 W.
（2）2台风力发电机发电的功率为2P，年发电时间t＝365×24×3 600 s
设年发电量为E，则有E＝2Pt，E＝qm
解得m＝3.30×105 kg.
答案：（1）1.57×105 W （2）3.30×105 kg
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
