2.4 能源与可持续发展 课件 (3)

课件57张PPT。第4节 能源与可持续发展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. 重点：1.能量转化的效率及方向性.
2.可持续发展的重要性.
难点：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.一、能量转化和转移的方向性
1.能量转化和转移的方向性
(1)在自然界中，大多数情况下，能量最终都转化为______，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，说明能量转移
也具有_________.内能方向性2.热机
(1)热机的作用是将内能转换为________.有了热机，人们才得
以利用自然界蕴藏的丰富的______来做功.
(2)热机的效率不可能达到______.但经过历代科学家的努力，
已经提高了许多.截止目前热机的效率仍然大有潜力可挖.
(3)自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有____
______的不可逆过程.机械能可以______转化为内能；反过来，
内能不可能_________、并不引起__________地完全转化为机械
能. 机械能内能100%方向性完全自动地任何变化【判一判】
(1)能量是守恒的，生产中不用节能降耗.( )
(2)能量不能创造，不能再生，能量只能进行转化和转移，但能
量间的转化和转移没有方向.( )
(3)热机的效率可以达到100%.( )提示：能量是守恒的，但人类生活中的可利用能源是有限的，
通过利用转移成不可利用能源，因此说法(1)错误；能量的转化
和转移是有方向的，在大多数情况下，能量最终都转化为内
能，说法(2)错误；热机的效率用来反映机器能将多少输入能量
转化为有用能量的本领.工作物质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，热机的效率不
可能达到100%，说法(3)错误.二、能源开发与可持续发展
1.珍惜能源
在许多情况下，能源的利用过程是_________的.自然界中的常
规能源储量是有限的、不可再生的，要珍惜现有的能源，提高
能源的___________.
2.能源的种类
_____、电、______、_________、水能、核能、风能等都是常
用的能源.不可逆利用效率煤石油天然气3.人类社会的可持续发展
发展不仅要满足当代人的需要，还要考虑不损害后代的需要.
4.可持续发展战略
开发多种能源资源，减少对______资源的依赖，优先开发____
_______、风能、地热能、海洋能、生物质能等能源，坚持____
与节约并举，把节约放在首位. 矿产太阳能开发【想一想】如图所示是我国能源结构的统计图，
请根据此图数据完成下面两个问题：
(1)总结出我国能源结构或能源现状的规律.
(2)试着提出解决这种现状的合理化建议.提示：(1)我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不
可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可
再生能源的比例过小.(2)建议：节能降耗；开发新能源；开发
可再生能源(如太阳能、风能等).　　　　　对能量转化和转移方向性的理解
【探究导引】观察上面两幅图片，思考以下问题：
(1)热量能否从低温物体向高温物体传递？
(2)内能能否全部转化为机械能？
(3)若忽略摩擦、漏气、机体的热量散失等因素，热机的效率能
否达到100%？【要点整合】
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.但是能量的转化和转移并不是任意
的，而是具有方向性的，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。
在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体向低温物体转移,
但不能自发地从低温物体向高温物体转移.自然界中能量的转化
和转移具有方向性.
例如:热量可以自动地从高温物体传递给低温物体,但不能自动
地从低温物体传递给高温物体；热量要从低温物体传到高温物
体,必须要通过做功的方式来进行,如电冰箱、空调制冷等.散失
到周围环境中的内能不能回收再重新利用.2.热现象
凡是与温度有关的现象都被称为热现象.实际上，凡是与热现象
有关的物理过程都具有方向性，是不可逆的.
3.对于“自发”的理解
“自发”是指不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产
生任何影响，也就是指没有任何外界的影响或帮助.热量会从高
温物体传向低温物体，这就是“自发”的方向.机械能可以全部
转化为内能，这个过程是“自发”的方向，但相反的过程不可
能自发地进行而不引起任何变化.4.热机的效率
任何热机都不可能把从高温热源吸收的热量全部用来对外做
功，总要向低温热源放出一部分热量，因此热机的效率一定小
于100%.
【特别提醒】能量的转化和转移需要遵循两个条件：
(1)能量守恒定律，即总能量不变.
(2)与热现象有关的能量的转化和转移都具有方向性.【典例1】设想在一间与外界绝热的房间里，有一台正在工作的
电冰箱，如果电冰箱的门是开着的，那么室内的温度将( )
A.升高 B.降低 C.不变 D.都有可能
【思路点拨】解答本题时应注意以下两点：
关键点
(1)能量在转化和转移过程中守恒.
(2)电流做功的过程是把电能转化为压缩机的机械能和内能.【规范解答】电冰箱是利用制冷剂如氟利昂从箱内蒸发器处吸
热而汽化后，到箱外冷凝器中放热液化，然后又到蒸发器中吸
热汽化……如此循环而制冷的.由于蒸发器温度低，冷凝器温度
高，制冷过程中，全靠压缩机将蒸发器中的氟利昂抽出再压缩
到冷凝器中，以实现热量从低温物体传递到高温物体.其中压缩
机对氟利昂蒸汽做了功，电能转化为内能，所以制冷剂从蒸发
器吸收的热量比整台冰箱放出的热量要少，房间又是绝热的，
故室内温度升高.故A正确，B、C、D均错.
答案：A【总结提升】利用能量转化与转移解题的思路方法
(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化,
也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移.
(2)自发进行的能量转移和转化都具有方向性.
(3)热机的效率总小于100%.
(4)能量在转化与转移过程中,能量的总量保持不变,即遵循能量
守恒定律.建立模型是分析解决问题的根本出发点.【变式训练】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来制造一种机器，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【解析】选B、C.根据能量转化和转移的方向性可知，物体温度
下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为
机械能，因此选项A、D是错误的，而选项B、C都是可实现的过
程.【变式备选】思考下列三个问题，探究能量的转化和转移是否
具有方向性.
(1)汽车由飞驰到静止，其动能转化为内能散发到周围的空间
去，那么散发出去的内能能不能自动地全部聚集起来，使汽车
重新开动起来呢？(2)夏天天气炎热，小朋友们喜欢吃冰激凌降温，连动物园中的
北极熊也喜欢吃大冰块降温.由于冰块的温度比小朋友、北极熊
的体温低，在吃冰块的时候，自身的热量就会传递给冰块，那
么，他们在吃冰块的时候，冰块中的热量能不能传递给他们，
使他们越来越热呢？
(3)在大型的庆典活动中，人们往往会开香槟庆祝，香槟在振荡
后会从瓶中喷出，那么喷出的香槟能不能自动地回到瓶中？【解析】(1)根据生活经验，汽车散发出去的内能不能自动聚
集，使汽车重新开动；(2)冰激凌或冰块的热量不可能自发地传
递给比它们温度高的小朋友和北极熊；(3)喷出的香槟不可能自
动回到瓶中.
由此可见，自然界中能量的转化具有方向性，机械能可以自发
地转化为内能，内能却不能自发地转化为机械能；热量只能自
发地从高温物体传递到低温物体，却不能自发地从低温物体传
到高温物体.自然界中的物理过程都是有方向性的.
答案：见解析　　　　　能源和环境问题
【探究导引】上面几幅图片反映了煤炭、石油的开采画面以及废气污染的情
景，请思考以下问题：
(1)自然界中能量是守恒的，不用担心煤炭、石油等能源的消
耗，这种观点正确吗？
(2)煤炭、石油等资源的过度开发有哪些危害？
(3)能源的开发与利用应该注意哪些问题？【要点整合】
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非常
严重，所以迫切需要找到新的替代能源.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.环境问题
(1)温室效应：由于大气中温室气体(二氧化碳、甲烷等)含量增
大而形成的.主要原因是煤炭和石油的大量消耗而产生的废气.
(2)酸雨：大气中的酸性物质，如二氧化硫、氮氧化物等，在降
雨过程中溶入雨水，使其成为酸雨.
(3)光化学烟雾：氮氧化物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强
烈的紫外线照射后产生的二次污染物质.
(4)浮尘：常规能源燃烧时会产生大量的浮尘.3.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,都与新的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作用，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.(4)常规能源和新能源的转化途径常规能源新能源风力风车水力水轮车天然气石油煤机械能燃烧热机内能电热器电能发电机地 热核 能太阳能反应堆太阳灶光电池电动机【特别提醒】(1)能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发
展为前提.
(2)应优先使用新能源，新型能源的共同特点：可再生、取之不
尽、绿色无污染. 【典例2】二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，地球表面发
出的长波辐射到大气层以后被二氧化碳截获，最后使大气升温.
大气中的二氧化碳像温室的玻璃一样，只准太阳的热辐射进
来，不让室内的长波辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应
叫温室效应.这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观
点，根据这种观点，以下说法能成立的是( )A.在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量二氧化碳，当
时地球的温度很高
B.经过漫长的时间，地壳的岩石和二氧化碳发生了化学反应，
导致二氧化碳减少，地球上出现了生命
C.由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含
量增大，地球上的气温正在升高
D.现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增
加，使电能和其他形式的能转化为内能【思路点拨】解答本题应该抓住以下两个条件：
关键点
(1)温室效应的本质及原理.
(2)地球变暖的主要原因是温室效应.【规范解答】地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如
现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律.由于火山的喷
发，排出大量的二氧化碳，进而导致当时的地球气温升高，选
项A正确；由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧
气、二氧化碳发生化学反应，使地球上的岩石进一步分化，最
后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生命生存的条件，则选项B正确；由于工业的发展和人类的活动，大量地使用常规能
源，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升
高，故选项C正确；生活用电和工业用电是电能向其他形式的能
的转化，会产生热，但不是温室效应的主要原因，选项D错误.
答案：A、B、C 【变式训练】能源短缺和环境恶化指的是( )
①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
②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
③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
④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
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④【解析】选D.能源短缺是指能源的有限性，指煤炭和石油的储
量是有限的，若储量无限，技术落后现阶段开采不出来，将来
总可以开采出来.因此，能源短缺的本意是②而不是①；环境恶
化的本意是指空气环境成分的变化，煤炭和石油在燃烧时与空
气中氧气发生反应，改变了大气成分，因此，对环境恶化的说
法④正确而③错误.【变式备选】能源可划分为一级能源和二级能源.自然界以现成
形式提供的能源称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接
制取的能源称为二级能源.氢气是一种高效而没有污染的二级能
源，它可以由自然界中大量存在的水来制取.下列叙述正确的是
( )
A.电能是二级能源 B.水力是二级能源
C.天然气是二级能源 D.焦炉气是一级能源 【解析】选A.电能是应用发电机，通过消耗其他形式的能而获
得的，比如，水力发电消耗了水的机械能而获得电能，核电消
耗了核能而获得了电能，选项A正确；水力、天然气都是自然界
以现成形式提供的能源，是一级能源，选项B、C均错；焦炉气
是通过煤炭加工而得到的一种能源，是二级能源，选项D错误.【温馨提示】热机是人类把内能转化为机械能的重要工具之一.
在人类对于能源的开发与可持续发展领域具有非常重要的意义.
在研究能量的转化及能源的利用等有关问题时，经常涉及能量
转化效率的计算或分析.【典例】人身体在最佳状态下，只能把人体化学能的25%转化
为有用的机械能.假如一位质量为60 kg的登山运动员恰好具有
这样的转化效率，若他平均每小时登高500 m，那么，他在5 h
内共消耗的化学能为多少？(g取10 m/s2)
【思路点拨】解答本题时可先求出运动员克服重力做功的功
率，再求出人体消耗化学能的功率，便可求出消耗的化学能.【解题流程】 运动员每小时增加的机械
能Ep=mgh=3×105 J
运动员每小时消耗的化 5小时内运动员消耗的化
学能 学能E=5E1=6×106 J
答案：6×106 J转化效率为η=25%利用能量守恒定律解决能量转化问题
能源的开发和利用已经成为社会发展的主题，能源的利用离不
开能量的转化和转移，在能量的转化和转移过程中，不仅要遵
循能量守恒定律，同时也必须遵循能量转化和转移的方向性.
开发和利用新能源、清洁能源，保证可持续发展是当今发展的
主题.寻找新能源，探寻能量转化的高效性和方向性成为紧迫
课题.在实际物理问题中，解决能量转化问题时离不开能量守
恒定律.能量守恒定律是解决能量转化和转移问题的基本理论
依据. 【案例展示】水能不产生污染物，是一种清洁能源.位于美国
和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量达到每秒6 000 m3，而且
一年四季流量稳定，瀑布落差为50 m，若利用这一资源发电，
设其效率为50%，估算发电机的输出功率.(g取10 m/s2)【规范解答】水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能.
每秒钟流下的水的质量为
m=ρV=1×103×6 000 kg=6×106 kg，
每秒钟水减少的机械能为
E=mgh=6×106×10×50 J=3×109 J.
设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得
Eη=Pt，则有
答案：1.5×109 W【名师点评】解答本题时应该注意：
(1)注意发电过程中水的机械能的转化方向，一部分转化成了
电能，一部分以内能或其他形式的能的形式散失，但转化过程
中能量守恒.即满足E机械=E电+E其他.
(2)注意发电效率，也就是能量转化效率与功率、总功之间的
关系.首先根据总功和效率可求出获得的电能.即E电=ηE总；
再根据功能关系W=E电求解发电机做的功；最后根据功与功率
的关系W=Pt求出功率.1.下列物理过程为可逆过程的是( )
A.热传导过程
B.机械能和内能的转化
C.气体的扩散过程
D.用一细绳吊起一个小球，把小球拉离平衡位置后释放的摆动
过程【解析】选D.在热传导过程中，内能总是自发地从高温物体向
低温物体转移，而不可能自发地从低温物体向高温物体转移.
机械能可以完全转化为内能，反过来，内能就不能自发地、并
不引起任何变化地100%变为机械能，因此，选项A、B中的现象
具有方向性；气体可以自发地扩散和膨胀,但是其逆过程是不
能自发进行的，选项C过程具有方向性；小球的摆动可以完全
恢复初始状态，是可逆过程，故选D.2.下列能源中，属于新能源的一组是( )
A.电能、水能、风能
B.太阳能、地热能、核能
C.液化气、沼气、酒精
D.石油、天然气、煤
【解析】选B.新能源是指近几十年才开始使用或正在研究开发
的能源，如太阳能、核能、沼气能、风能、氢能、地热能、海
洋能等.技术上比较成熟且使用较为普遍的能源称为常规能
源，如化石能源(煤、石油、天然气)、水能、电能、酒精、液
化气等.3.(2012·衡水高一检测)利用能源的过程实质上是( )
A.能量的消失过程
B.能量的创造过程
C.能量转化和转移的过程
D.能量转化和转移并且耗散的过程
【解析】选C、D.利用能源的过程实质上是能量转化和转移的
过程，在能源的利用过程中能量是耗散的，A、B错误，C、D正
确.4.下列说法中正确的是( )
A.电动机是把电能全部转化为机械能的装置
B.热机是将内能全部转化为机械能的装置
C.若将所有海水的温度都降低1 ℃，就能获得巨大的能量，我
们可以通过这种途径来获得能量
D.虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内
能的能量全部收集起来加以利用【解析】选D.电动机把大部分电能转化为机械能，还有一部分
转化为内能消耗在电路上，故A错；热机并不能将内能全部转
化为机械能，故B错；由于热传递有方向性，所以不可能通过
使海水降温来获得巨大的能量，故C错；由于能量耗散，各种
形式的能量一旦转化为内能，就无法全部收集起来加以利用，
故D正确.5.人类每年消耗的能量换算成石油，约为50亿吨，一个人维持
生存所必需的食品的热量是每天1.26×107 J左右，若世界总
人口为60亿，试估算人类活动所需要的能量是人类生存所必需
能量的多少倍.(燃烧1 g石油得到的热量大约是4.2×104 J)【解析】人类每年活动所消耗的总能量等于50亿吨石油燃烧所
释放的能量，其能量值为
E=4.2×104×50×108×103×103 J
=2.1×1020 J.
每年按365天计，可估算出每人每天活动所需要的能量为
因而，人类活动所需要的能量大约是人类生存所必需能量的倍
数为
答案:7.6倍