5．2 能源开发与环境保护和5．3 节约能源、保护资源与可持续发展
1．下列对能量耗散的理解正确的有( )
A．能量耗散说明能量在不断减少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
解析：选BD.在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散．能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确．
2．城市垃圾不断增多与什么因素有关( )
A．消费商品量不断增加
B．不良的生活习惯
C．一次性用品使用的限制
D．方便袋的使用
解析：选ABD.随着工业发展，商品消费量增多，城市垃圾也不断增多，此外B、D也是垃圾增多的原因．
3．近两年，国家加大了农村沼气建设的投入力度．沼气是农作物秸秆、畜禽粪便等有机物经发酵后所产生的甲烷等气体．下列说法不符合沼气特点的是( )
A．是一种清洁能源，燃烧效率高
B．不可再生
C．能保护和改善生态环境、实现可持续发展
D．来源广泛
解析：选B.沼气的原料是可以从自然界中源源不断地获得的，是可再生的．
4．太阳向地球表面每平方米辐射光能的功率为1.4 kW，如今利用凹面镜制成太阳灶烧水，使20 ℃，5 kg的水在20 min内沸腾，此太阳灶中凹镜受光照面积的直径最少应该多大？(不计能量损失)
解析：使水沸腾需要的能量为
Q＝cm·Δt＝4.2×103×5×80 J＝1.68×106 J
吸收太阳光的能量为
Q′＝PS·t＝
由Q＝Q′得：d＝ m≈1.13 m.
答案：1.13 m
一、选择题
1．下列关于能量耗散的说法，正确的是( )
A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律
B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用
C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
D．能量耗散导致能量品质的降低
解析：选BCD.能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故A错，D对；耗散的内能无法再被利用，B项对；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，C项对；故选B、C、D.
2．关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的( )
A．常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现
C．能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响
D．通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径
解析：选B.能源与环境保护是互相制约的，要尽量节约常规能源的使用，大力开发新能源．
3．节约能源、保护环境，下列做法或现象中需要改进的是( )
A．及时关掉未关紧的水龙头，尽量做到一水多用
B．将废纸、矿泉水瓶等送到废品收购站
C．养成人走灯灭的习惯，利用垃圾焚烧发电
D．汽车排出黑色的尾气
答案：CD
4．某同学决定利用身边的材料制作一个简易的太阳能热水器，容器壁的其中两个面用玻璃板替代，以利阳光射入，其设计结构如图5－2－2所示．为了更有效地利用太阳能，提高热水温度，下列措施中不合理的是( )
图5－2－2
A．容器容积一定时，增大日光入射的有效面积
B．尽量使有效采光面与太阳光垂直
C．将除玻璃板之外的内壁涂黑
D．将除玻璃板之外的内壁涂上一层反射面
解析：选D.若将除玻璃板之外的内壁涂上一层反射面，则不利于对阳光的吸收，应涂成黑色，因为黑色的吸热效果较好．
5．作为新型燃料，从环保角度来看氢气具有的突出优点是( )
A．在自然界里存在氢气
B．氢气轻，便于携带
C．燃烧氢气污染小
D．氢气燃烧发热量高
解析：选C.作为新能源，氢的优点是发热量高，燃烧后生成物是水，所以仅从环保角度讲，应选C.
6．下列能源中，哪些属于不污染环境且不需要开采费用的新能源( )
A．太阳能 B．核能
C．风能 D．沼气
解析：选AC.目前，人类应用较多的能源是煤、石油、天然气等常规能源，正在大力发展的新能源有核能、太阳能、风能、沼气等．太阳能和风能都是无污染、不需要开采费用的能源，而且取之不尽，用之不竭．该题的正确选项为A、C.
7．抽水蓄能电站可以在用电低谷时，将电网中多余的电能转化为水的重力势能；在用电高峰时，再将水的重力势能转化为电能输回电网．假定多余电能为5×104kW·h，这部分多余的电能经储存再回到电网过程中将损失44%，则此蓄能电站能给电网补充的电能为( )
A．2.2×104kW·h B．2.8×104kW·h
C．3.5×104kW·h D．5×104kW·h
解析：选B.由题意可知，这部分电能在转化过程中要损失44%，则剩余部分为5×104×(1－44%)＝2.8×104kW·h.
二、非选择题
8．说明下列能源利用方式中的能量转化过程：
(1)水力发电：________；
(2)电动水泵抽水：________；
(3)柴油机牵引列车前进：________；
(4)火箭发射人造卫星：________.
解析：水力发电是将水的机械能转化为电能．电动水泵抽水是将电能转化为水的势能．柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能转化为内能，再转化为列车的机械能．火箭发射人造卫星是燃料的化学能转化为卫星的机械能．
答案：见解析
9．能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油，由于储量有限，有朝一日要被开采完毕，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例．
下图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为水坝；其下有通道，水经通道可带动发电机．涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道如图5－2－3甲；潮落至最低点时放水发电，如图乙；待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电，如图丙．设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，则一天内流水的平均功率为________MW.
图5－2－3
解析：潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能．每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg＝ρShg＝1.0×103×5.0×107×3×10 N＝1.5×1012N，其重心高度变化为h＝1.5 m.
一天内海水两进两出，故水流功率为
P＝＝W
≈1.0×108W＝100 MW.
答案：100
10．1996年清华大学和香港大学的学生合作研制太阳能汽车，该车是利用太阳能电池将所接受到的太阳光能转化为电能以提供给电动机来驱动汽车的．
已知车上太阳能电池接受太阳光能的面板面积为S＝8 m2，正对太阳时能产生U＝120 V的电压，并对车上电动机提供I＝10 A的电流，电动机的直流电阻为R＝4 Ω，而太阳光照射到地面处时单位面积上的辐射功率为P0＝1.0×103W/m2.
(1)该车的太阳能电池转化太阳光能的效率η1等于多少？电池对电动机供电的效率η2等于多少？
(2)若太阳的总辐射功率为P＝3.9×1026W，且太阳光在穿过太空及地球表面大气层达到地面处时，沿途有β＝28%的能量损耗，则据此可算出太阳到地球的距离r等于多少？
解析：(1)η1＝UI/(P0S)＝(120×10)/(1.0×103×8)＝15%，η2＝(UI－I2R)/(UI)＝(120×10－102×4)/(120×10)≈66.7%.
(2)由公式4πr2P0＝(1－β)P，
可解得r＝
＝ m
≈1.5×1011m.
答案：(1)15% 66.7% (2)1.5×1011m
能源的开发和环境保护教案
一、教学目的
1、了解什么是能源，什么是常规能源，知道常规能源的储量和人类需求的矛盾
2、了解常规能源的使用和环境污染方面的关系
3、了解哪些是清洁能源，哪些是可再生能源
二、教学重点
1、能源、常规能源、可再生能源的教学
2、能源和环境之间的关系
三、教学难点
能源和环境之间的关系
四、教学过程
热力学第二定律告诉我们，很多与热现象有关的物理过程都是不可逆的。涉及内能的能量转化过程具有方向性，这在上一节已经提到过了。在本节，我们讨论这种方向性的现实意义。
一、能源
一段木料燃烧后化为灰烬，能够释放给我们所需要的能量。然而，灰烬却不能立即被合成而成为一段木料。但是，我们至少可以将灰烬作为肥料施在一颗小树苗上，促成它长成一段未来的木料，以供人类（可能是种树、施肥者的子孙，也可能是别人的子孙）再次燃烧。
在这一人与资源的交互行为中，我们会发现，首先，能量转化的方向性并没有被破坏，也就是说，热力学第二定律仍被得到尊重。其次，这将形成了一个循环，因为只要时间足够，让树苗成长成为木料的数目大于我们燃烧木料的数目，它就不会破坏需求与资源的动态平衡关系。其三，在这个循环中，必须要有第三者参与——如果没有太阳的光合作用，循环就终止了——所以人与资源（树木）之间并不是“今天你给我，明天我还给你”的关系（我们与其说在燃烧树木，还不如说是在利用储存的太阳能）。其四，这种循环还有一种隐忧，那就是：灰烬“成为”树木的速度要远远小于树木变成灰烬的速度，表面的平衡是以内部数量上的不平衡为代价的。
以上的四点中，第三点事实上已经决定了循环“返回”过程的速度（不能由人类操控），第二点和第四点则意味着人类的行为、世界观对“平衡”能否被破坏有着直接的关系。
在工业化时代到来之前，人们过着田园牧歌式的生活，没有电器、没有汽车、没有空调，人类使用大自然的资源只是为了满足最基本的生活需求，因此，这种“平衡”没有被破坏。
随着工业化时代的到来，这种状况立即显现出危机，循环就要被终止了。于是，人们想到了地底下的资源：煤和石油。他们提供的能量很有用，燃烧的速度和效能和木材相差无几。但是，形成煤和石油的速度比长成树木的速度，就不能同日而语了！可以这样说，人们自从使用煤的第一天起，就没有想到一个可能形成循环的问题，更不用说什么平衡了。所以，煤和石油事实上是一种坐吃山空的资源：我们今天用得越多，我们的子孙将来可以使用的就越少。
在不久的将来，人们用完了所有的煤和石油，会怎么办？这是一个令社会学家睡不安枕的问题。
然而，经济学家们却不这样看。经济学教授给学生们讲课，出了这样一个题目：地底下现有石油储量X吨，近五年的开采量是Y吨/年，请预测石油将在多少年后被开采完？有的学生开始用计算器摁键：X/Y = ? …这样的学生被认为是经济学的盲者。教授的观点是：永远也开采不完。因为，随着石油储量的减少，开采的成本会加大，成本大于销售价格时，市场规律决定了人们在也不会去开采石油了。此时石油存在事实已经失去了利用价值，任它在地底下沉睡多少年也和我们没有关系了。
那么人们会使用什么能源呢？巨大的市场潜力和利润空间将驱使人们去研究一种石油的替代品。因此，能源的危机也就解决了。
是社会学家们悲天悯人，还是经济学家们盲目乐观？这需要我们冷静地去判断。至少，以下的一些事实可以显示，这两派观点都有一定的道理——
世界上石油储量最大的中东地区一直是发达国家关注的焦点，外交、军事莫不围绕着这片从地表上看毫无魅力的区域打转。世界警察（美国）和他的随从们最愿意去管中东的事情：两次海湾战争、伊拉克战争等等…说明能量消耗巨大的富国们对石油的心痛程度。
令以一方面，“替代品”——新能源的研发、形式层出不穷。
1、水能：水作为能量的载体，被太阳能驱动地球上三栖（水、陆、空）循环。地表水的流动时，在落差大、流量大的地区，形成可利用的水能资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。
2、海洋能：由于地球受月球和太阳引力的周期性不均衡，海水发生非气候性的涨潮和落潮现象，形成潮汐。潮汐蕴含着巨大能量，既可以用来推动机械装置，又可以用来发电。
此外，由于海水表层和深层间的存在很大的温差，利用这种温差也可以发电（*因为水的沸点与气压有关，如果建造一个装置，用抽真空的方法使表层的海水在20摄氏度时汽化，并推动汽轮机，再将深层的冷水提上来使蒸汽冷却，如此周而复始，就可以发电了。除这种方法外，还可以用低沸点的流体如丙烷和氨来作为热机的工作介质）。法国已经建成了世界上第一座温差发电站，发电容量为14,000kW。
3、风能：利用风的机械能发电，风能是一种重要的自然能源。据有关专家估算，在全球边界层内的总能量为1.3×1015瓦，一年中约为1.4×1016千瓦时电力的能量，相当于目前全世界 每年所燃烧能量的3000倍。其中1/10为可取用的极限量。
风能的优点是：总能量巨大，利用简单、无污染、可再生。缺点是：能量密度低（当流速同为3米/秒时，风力的能量密度仅为水力的1/1000）、不稳定性大，连续性、可靠性差，时空分布不均匀。
4、生物质能：利用厌氧微生物在密闭条件下分解（废弃）有机物，产生沼气，沼气具有很高的热值，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人畜健康。生成沼气的原料本身就是各种废弃物，生产过程可以减少（有机物）垃圾的数量。
在农村到处可以看到许多生物质的废弃物，如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等。将这些废弃物收集起来，经过细菌发酵可以产生沼气，用沼气做燃料和照明，也可以发电。
5、太阳能：太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。我们目前的利用方式主要是两种——
一是将阳光聚焦，将光能转化为热能（传说阿基米德就曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰）。在日照充分的地方，人们在生产和生活中已大量使用太阳灶、干燥器和太阳能热水器（太阳能热水器的构造要简单的多。因为不需要它产生太高的温度。在大多数情况下，可以将太阳能热水器的集热器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式，通过管道与水源和储水箱相连。太阳能热水器在我国北方比较常见）。
二是将太阳能转化为化学能，再用化学能发电。比较常见的光电池是硅电池（它能将13%-20%的日光能转化为电能）。许多电子计算器和其他小型电子仪器现在已经采用太阳能电池供电，人造卫星和宇宙飞船更是主要依靠太阳能电池来提供电力。
但是阳光在达到地面以前要经过大气的反射、散射和吸收，能量损失较大，加上阴天、昼夜变化和雨雪等降水过程的影响，目前地面上利用日光发电受到一定限制。
无论是生物质能、风能，还是水力、温差和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。即使矿物燃料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。
6、地热能：用地热采暖、将地热用于农业、水产养殖业、工业生产等，在全世界范围内受到关注。（从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%）。
利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。*据美国地热资源委员会（GRC） 1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资 ? 源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学组分和硫磺等。
7、核能：铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234 ，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。铀的和平用途十分广泛，其中最主要的是用作核电反应堆的燃料。
由于核电具有发电成本低、对环境污染小和安全等优点，世界各国，尤其是工业发达的国家和地区都大力发展核电，估计到2000年核电将达到世界总发电量的25%左右。我国已建成秦山、大亚湾核电站，目前还有多处正在筹建。
铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，在工业上利用射线实现生产自动控制，无损伤检查等；在农业上利用射线培育良种，防止病虫害等；在医学上用于灭菌消毒，临床诊断及治疗；在地质勘探工作中用来找矿等等。
从种种迹象看来，能源危机的解决也许并不是难事。但这是不是就意味着人类可以高枕无忧呢？答案是否定的。
二、环境
可以说，自打人类寻找到木材的替代品——煤和石油开始，就已经意识到了“替代”绝不就是“等同”。我们前面说过，木料的灰烬能够作为肥料施在小树下，这样就促进了循环的完整与良性发展，而煤渣并不能做到这一点。也许学过化学的我们会说，煤和石油的衍生物也可以制成肥料，但是，请大家不要忘了，木料的灰烬可以被大自然“照单全收”地降解、燃烧的二氧化碳也是植物（新树苗）呼吸作用的必须，可煤燃烧的废渣、石油的衍生物（塑料等）却不能或很难被降解，他们燃烧的废气（二氧化硫等）是天怨人怒的有害物质（石油燃烧的废气还是城市人们致癌的罪魁祸首）。所以说，垃圾问题、大气问题，共同构成了——环境问题。
在新的能源中，环境问题是不是彻底解决了呢？从前面介绍的1~6种能源中，人们确实充分考虑了这个问题，理论上是不会有环境问题的。但是，不知大家注意到了没有，它们都会受自然条件和资源条件的制约（没有风，风车能转吗？太阳能需要面积，你能把热效应管架在别人的房子上去吗？潮汐能需要海岸线的长度，你去侵略别人的海域吗？）。随着人们需求的增长，可以说，这前6能源的供应量必然不能满足要求，所以第7种能源成为人们关注的焦点：核能（因为它有一个突出的优点，那就是能量巨大）。在发达国家，核能的使用量日益增多…但是，核能的直接或潜藏的环境问题比煤合石油的要严重得多…
人类要在以上问题中寻求一种协调与和谐，在调整需求意识、珍惜资源、科研开发等多个方面都有工作要做。无论今后大家会致力于哪一方面的工作，今天的意识形成都会大有必要。
三、小结
本节我们介绍了能源于环境的问题，通过介绍，希望大家能够了解：1、能量和能源是两回事；2、非再生能源和可再生能源是两回事；3、人类不能打破与环境的和谐，破坏环境等于摧毁自己的生存家园。
