2.4 能源与可持续性发展 学案 (3)

2.4能源与可持续发展
[目标定位]　1.知道能量转化和转移的方向性.2.认识提高能量转化效率的重要性.3.了解能源开发与可持续发展.4.了解能源对人类社会发展的重要意义，养成自觉节约能源的好习惯．
一、能量转化和转移的方向性
1．能量转化和转移的方向性
自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有______性的________的过程．
(1)机械能与内能间转化的方向性：机械能____________转化为内能，反过来，内能不可能______地并不引起任何变化地______变为机械能．
(2)热传递过程中的方向性：在热传递的过程中，内能总是______地从______物体向________物体转移，而不能______地从______物体向______物体转移．
2．热机的效率
热机是将内能转化为________的装置，它从高温热源吸收热量，一部分用来做功，同时向低温热源放出热量，它的效率________达到100%.
二、能源开发与可持续发展
1．在自然界中，除机械能外，常见的能量还有______、______、________、______等．
2．常规能源主要有____、______、________等．
想一想　效率为100%的发动机能被制造出来吗？它是否违背能量守恒定律？
一、对能量转化和转移方向性的理解
1．关于方向性的理解
能量守恒定律指明各种形式的能量可以相互转化，并且能量在转化或转移过程中总和不变．但在许多情况下能量的转化和转移是不可逆的，具体表现在：
(1)机械能与内能转化的方向性．
机械能可以全部转化为内能，但内能不可能自动地、并不引起任何变化地全部转化为机械能．机械能转化为内能不需要专门的装置，而内能要转化为机械能必须通过热机才能实现．
(2)热传递的方向性(内能转移的方向性)．
在热传递过程中，热量可以自动地从高温物体向低温物体转移，但不能自动地从低温物体向高温物体转移．自然界中内能的转移也具有方向性．
2．热机的效率及其工作方向性
(1)效率：
热机是将内能转化为机械能的装置．其效率η＝＝，由于任何热机都会有热损失，所以热机的效率一定小于100%.
(2)方向性：
①卡诺指出：由高温热源吸收的热量，只能有一部分用于做功，其余的要向低温热源放出．因此，热机的效率不可能达到100%.
②开尔文指出：自然界中凡是与热现象有关的一切宏观过程都是具有方向性的不可逆的过程．
特别提醒　(1)自然界的总能量不变，但利用能量时是有方向性的．
(2)热机的效率的提高仍然大有潜力可挖．
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物理
鲁科
必修2
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例1
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　下列过程可能发生的是(　　)
A．自发地将排放在空气中的高温废气的内能收集起来，使其全部转化为汽车运动的机械能
B．将浓度为50%的酒精水溶液自发地分开成水和酒精
C．利用其他手段使内能从低温物体转移到高温物体
D．利用搅拌的方法使液体的温度升高，内能增大
针对训练1　下列过程中，可能实现的是(　　)
A．水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能
B．利用不同深度的海水温度不同制造一种机器，把海水的内能转化为机械能
C．粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高
D．静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来
二、能源开发与可持续发展
1．能源开发：人类社会要发展，能源是必不可少的资源，但现有的煤、石油、天然气等化石燃料都是远古时期储存的太阳能，不可再生，不久的将来都要枯竭．同时，大量使用这类燃料对环境的破坏性非常大，所以迫切需要找到新的替代能源．在现有条件下，可供利用的新能源主要有地热能、太阳能、海洋能、生物能等．
2．人类与能源的关系：
(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志．
(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害．
(3)可持续发展：
①对常规能源合理有效地利用，保护环境与生态平衡．
②开发清洁的新能源和可再生能源．
③积极研发节能的新技术，提高能源利用效率．
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例2
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　关于能源的利用，下列说法中正确的是(　　)
A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以太阳能和核能的开发并不十分重要
B．能源的利用过程，实质上是能的转化和传递过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能在利用中不会对环境造成污染
针对训练2　能源短缺和环境恶化指的是(　　)
A．煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限度的，这叫能源短缺
B．煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储量将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺
C．煤炭和石油具有大量的气味，在开采、存放和使用过程中，这些气味会聚存在空气中污染空气，使环境恶化
D．大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气的成分，使环境恶化
能量的转化和转移的方向性
1．下列说法中错误的是(　　)
A．热量只能自发地从高温物体传给低温物体而不能自发地从低温物体传给高温物体
B．内能不能转化为动能
C．内能不能自发地转化为动能
D．自然界中涉及热现象的宏观过程都有方向性
2．地球上有大量的海水，若使海水温度降低0.1
℃就能释放出5.8×1023
J的热量．有人设想用一热机将海水放出的热量完全转化为机械能，但这种使内能转化成机械能的机器是不能实现的，其原因是(　　)
A．内能不能转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足能量守恒定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能而不引起其他变化的机器不满足能量转化和转移的方向性
D．上述三种原因都不正确
能源的开发与可持续发展
3．关于能源的开发和利用，下列观点不正确的是(　　)
A．能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C．能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响
D．不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径
4．某地平均风速为5
m/s，已知空气密度是1.2
kg/m3，有一风车，它的风叶转动时可形成半径为12
m的圆面．如果这个风车能将圆面内10%的气流动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？(计算结果保留两位有效数字)
答案精析
第7讲　能源与可持续发展
预习导学
一、1.方向　不可逆　(1)可以完全　自发　完全　(2)自动　高温　低温　自动　低温　高温
2．机械能　不可能
二、1.内能　电能　化学能　核能
2．煤　石油　天然气
想一想　效率为100%的发动机不能被制造出来，因为它虽然不违背能量守恒定律，但它违背了能量的转化和转移具有方向性的规律．
课堂讲义
例1　CD　[根据能量转化与转移的方向性可知，内能不可能自发地全部转化为机械能而不引起其他变化．所以高温废气的内能不可能自发地全部转化为汽车的机械能，故A选项错；浓度为50%的酒精水溶液不可能自发地分开成为水和酒精，故B选项错误；内能不可能自发地从低温物体转移到高温物体，若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆，故C选项正确；改变物体内能有两种方式：一是对物体做功；二是热传递．所以搅拌对液体做功时可以改变液体内能，使其温度升高，内能增加，故D选项正确．]
针对训练1　BC
例2　BC　[我国的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，且利用后不能再生，所以开发和利用新能源，特别是核能和太阳能是解决能源问题的出路．故A错误；目前人类使用的能源主要仍是煤、石油和天然气．燃料燃烧时，将化学能转化为内能，内能又可转化为机械能和电能．人类在生产和生活中需要各种形式的能，我们可以根据需要把能源所含的能量转化成多种形式，以供利用，所以能源的利用过程，实质上是能的转化和传递的过程，故B、C正确；煤、石油和天然气是由古代的动植物的遗体在长期地质变迁中形成的．在利用这些能源时会产生大量的二氧化碳和甲烷，易产生温室效应对环境造成污染，D选项错误．]
针对训练2　BD
对点练习
1．B　2.C　3.B
4．3.4
kW
解析　在t时间内作用于风车的气流质量m＝πr2vtρ
这些气流的动能为mv2，
转变成的电能E＝mv2×10%
所以风车带动发电机的功率为P＝＝πr2ρv3×10%
代入数据得P≈3.4
kW.