第五节 能源与可持续发展
第六节 研究性学习——能源的开发利用与环境保护
学 习 目 标
重 点 难 点
1．知道一些常规能源．
2．知道温室效应和酸雨形成的原因、危害及防治措施．
3．了解新能源开发与利用.
1．能源耗散和新能源开发．(重点)
2．能源品质降低与人类社会发展的关系．(难点)
能源与可持续发展
1．基本知识
(1)能源与环境：人类消耗的能量主要来自煤、石油、天然气等物质，人们把这些物质叫做常规能源．大量消耗常规能源产生的大气污染对全球气候和生态环境系统产生的影响，最为突出的是温室效应和酸雨．
(2)温室效应：温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的热量平衡造成的，温室效应会导致全球变暖进而会引起海平面上升、气候变化和疾病增多，控制全球变暖的对策是通过调整能源结构，控制二氧化碳的过量排放．具体实施时可以从以下两方面进行：①提高能源利用率．②开发新能源．
(3)酸雨：
①人为排放的二氧化硫和氮氧化合物是酸雨形成的根本原因．酸雨有“空中死神”之称，危害极大，它影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑物和艺术品．
②酸雨的防治措施：(ⅰ)健全法规，强化管理，控制排放．(ⅱ)发展清洁煤技术，减少燃烧过程SO2的排放．(ⅲ)通过改造发动机，安装汽车尾气净化器，用无铅汽油代替含铅汽油等手段，控制汽车尾气的排放．
(4)能量与节约能源：能量不仅有“量”的问题，而且有“质”上的差别．根据热力学第二定律，自然界中的宏观过程是有方向性的．能量在转化过程中，能量的可利用程度是逐渐降低的．这种能量可利用程度降低的现象称为能量降退．
2．思考判断
(1)煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能． (√)
(2)汽油是一种清洁能源． (×)
(3)大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源． (√)
3．探究交流
常规能源的大量利用造成了化石燃料的日益枯竭和环境污染的日益加剧．人类怎样才能克服能源危机？
【提示】 一方面要节约能源，另一方面要大力开发新能源．如大量应用太阳能，大量应用水力和风力发电，开发地热能以及核能等．
能源的分类、特点及与人类社会发展、环境的关系
【问题导思】
1．什么是常规能源和新能源？
2．什么样的能源会严重污染环境？什么样的能源是清洁能源？
1．能源的分类及特点
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按形成或转换
特点分
一次能源
自然形成，未经加工
太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源
由一次能源经加工转换而成
焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
按利用
技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气
新能源
正在开发，或有新的利用方式
太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能、水能
按可否
再生分
可再生能源
可循环使用、不断补充
水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气、核燃料
按对环
境污染
情况分
清洁能源
对环境基本上没有污染
太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
化石燃料(煤、石油、天然气)
2．能源的重要性：能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济运行的物质基础，它与材料、信息构成现代社会的三大支柱．
3．目前的任务是采用环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；汽车尾气问题，达到废气“零排放”；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等，要变废为宝．
(双选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖．为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是( )
A．禁止使用煤、石油和天然气
B．开发使用核能、太阳能
C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D．植树造林
【解析】 可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选B、D.题中A、C两项措施虽然有效，但并不可行．
【答案】 BD
人们的生活离不开常规能源，但常规能源的利用对生态环境又带来了很大危害，如CO2的排放造成温室效应，开发新能源是目前改善环境的有效手段.
1．下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A．用煤做燃料供热
B．用石油做燃料供热
C．用天然气或煤气做燃料供热
D．用太阳能供热
【解析】 煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含粉尘、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等物质，污染了大气．而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故D正确．
【答案】 D
新能源的开发和利用
【问题导思】
1．大规模地开发和利用太阳能，对人类和地球环境有什么好处？
2．目前人们开发新能源的努力方向是什么？
1．目前开发的新能源主要有下列几种
(1)太阳能：是取之不尽，用之不竭的．同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境．
(2)生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能．
(3)风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”．我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电．
(4)水能：是可再生的．水力发电对环境的影响小，发电成本低．
2．能源开发和利用
太阳每年辐射到地球上的能量可达1018 kW·h .
(1)如果太阳辐射到地球上的能量全部用来推动热机发电，能否每年发出1018度电？
(2)试估算太阳每年释放出的能量．(地球到太阳的距离r＝1.5×1011 m，地球的半径R＝6.4×106 m)
【审题指导】 (1)利用热力学第二定律判断每年的发电量．
(2)太阳向外辐射能量是以太阳为球心的．
(3)地球接收太阳辐射能量的面积是πR2而不是4πR2(R为地球半径)．
(4)利用比例式求太阳每年辐射的总能量．
【解析】 (1)若用到达地球的能量推动热机发电，由热力学第二定律可知，发电量必小于1018度．
(2)太阳向四面八方辐射能量，地球仅是“四面八方”中的一个“小圆”，地球到太阳的距离为r＝1.5×1011m，地球的半径为R＝6.4×106 m，所以太阳辐射的总能量为Q＝q＝q＝×1018 kW·h≈2.2×1027 kW·h.
【答案】 (1)不能 (2)2.2×1027 kW·h
2．关于能量和能源，下列说法正确的是( )
A．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少
B．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
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】 由于自然界的能量守恒，所以在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，选项A正确；由于能量的品质逐渐降低，故仍需要节约能源，选项B错误；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，比如一杯热水过段时间，热量散失，水冷了，所以具有方向性．故C不正确；人类在不断地开发和利用新能源，但能量不能被创造，也不会消失．故D不正确．故选A.
【答案】 A
能源与人类环境
能源问题是当前的热门话题，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．如图表示的是利用潮汐发电的简单示意图，左方为陆地和海湾，中间为大坝，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(甲)所示；潮落至最低点时放水发电，如图(乙)所示；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)所示．设海湾面积为5.0×107 m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，则一天内水流的平均功率为________MW.(g取10 m/s2，每天两次涨潮，四个发电时间段)
【审题指导】 (1)每次落潮海水减少重力势能．
(2)每天两次涨潮，存在4个发电时间段．
【解析】 每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力mg＝ρshg＝1.0×103×5.0×107×3×10 N＝1.5×1012 N.
其重心高度变化为h′＝1.5 m
每次落潮海水重力势能的减少量
ΔEp＝mgh′＝1.5×1012×1.5 J＝2.25×1012 J.
一天内水流做功的功率P＝＝ W≈
1．0×108 W＝100 MW.
【答案】 100
能源是人类生存发展的重要支撑因素，海洋蕴藏着极丰富的能源：潮汐能、波浪能、温差能、盐度差能、海流能等，海洋能源亟待人类去开发，潮汐发电是海洋能开发较早的一种，我国潮汐能源约1.1×108 kW，开发利用潮汐能技术也在发展提高.
1．水力发电站的电能最终来自于( )
A．太阳能 B．水的动能
C．水的势能 D．水的内能
【解析】 地球上的水能、风能等，最终来自太阳．
【答案】 A
2．(双选)下列对能量耗散的理解正确的是( )
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】 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．
【答案】 BD
3．(双选)如图所示，温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的热量平衡造成的．减少二氧化碳的排放是人类追求的目标．下列能源利用时均不会引起二氧化碳排放的是( )
A．生物质能、风能、氢能
B．风能、潮汐能、核能
C．太阳能、生物质能、地热能
D．太阳能、氢能、核能
【解析】 引起二氧化碳排放的因素主要是化学燃料的燃烧产生的．一般常规能源都能产生二氧化碳，新能源如氢能、核能、太阳能、风能、潮汐能不产生二氧化碳．故B、D正确．
【答案】 BD
4．(双选)美国宇航局新一代运载火箭“战神1号”通过了重要的发动机点火试验，取得圆满成功．这次点火试验投入达7 500万美元，持续了大约123秒．点火试验产生了大约2 200万马力的动力，温度约为4 500华氏度(2 482摄氏度)，耗费了大量燃料．下列有关能量的说法正确的是( )
A．燃料燃烧后，能量就消失了，说明能量不守恒
B．燃料燃烧后，化学能转化为内能
C．燃料燃烧后的内能不可能再转化为化学能
D．燃料燃烧后的内能在一定条件下可能转化为化学能
【解析】 根据能量守恒定律可得，A项错误，B项正确；燃料燃烧后的内能不可能再转化为化学能，C项正确，D项错误．
【答案】 BC
课件43张PPT。第三章 热力学基础第五节 能源与可持续发展
第六节 研究性学习——能源的开发利用与环境保护
煤石油天然气温室效应酸雨开发新能源二氧化碳海平面上升气候变化疾病增多调整能源结构二氧化碳提高能源利用率
二氧化硫氮氧化合物健康生态系统酸化控制排放SO2汽车尾气质方向性的降低的能量降退√ √ × 能源的分类、特点及与人类社会发展、环境的关系新能源的开发和利用 能源与人类环境 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十六)
(建议用时：45分钟)
1．作为新型燃料，从环保角度看，氢气具有的突出特点是( )
A．在自然界里存在氢气 B．氢气轻，便于携带
C．燃料氢气污染小 D．氢气燃料放出的热量高
【解析】 从环保角度看，氢气的燃料，基本没有污染，故氢气具有的突出特点就是污染小．
【答案】 C
2．煤、石油、天然气和生物资源的能量作为能源的共同特点是( )
A．可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．不可再生能源，用一点，少一点
C．来自太阳辐射的能量
D．污染环境的能源
【解析】 煤、石油、天然气是常规能源，生物资源是可再生能源，它们的共同特点是来自太阳辐射的能量，故选C.
【答案】 C
3．下列叙述中不正确的是( )
A．市区禁止摩托车通行是为了提高城区空气质量
B．无氟冰箱的使用会使臭氧层受到不同程度的破坏
C．大气中CO2含量的增多是引起温室效应的主要原因
D．“白色污染”是当前环境保护亟待解决的问题之一
【解析】 氟对臭氧层具有破坏作用，使用无氟冰箱是为了保护臭氧层，故选项B不正确．
【答案】 B
4．我国酸雨主要是硫酸型酸雨，其原因是( )
A．我国是以燃烧木柴为主的国家
B．我国是以利用核电为主的国家
C．我国是以利用水电为主的国家
D．我国能源消费中煤的比重最大
【解析】 造成酸雨的主要原因是SO2气体．而煤的使用就会产生大量的SO2气体．
【答案】 D
5．柴油机使柴油在它的汽缸中燃烧，产生高温高压的气体，燃料的化学能转化为气体的内能，高温高压的气体推动活塞做功，气体的内能又转化为柴油机的机械能．燃烧相同的燃料，输出的机械能越多，表明柴油机越节能．是否节能是衡量机器性能好坏的重要指标．有经验的柴油机维修师傅，不用任何仪器，只要将手伸到柴油机排气管附近，去感觉一下尾气的温度，就能够判断出这台柴油机是否节能，真是“行家一出手，就知有没有”，关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系，你认为正确的是( )
A．尾气的温度越高，柴油机越节能
B．尾气的温度越低，柴油机越节能
C．尾气的温度高低与柴油机是否节能无关
D．以上说法均不正确
【解析】 气体的内能不可能完全转化为柴油机的机械能，柴油在汽缸中燃烧，产生高温高压的气体，是一个高温热源；而柴油机排气管排出的尾气是一个低温热源．根据能量守恒，这两个热源之间的能量差就是转换的机械能，燃烧相同的燃料，要想输出的机械能越多，尾气的温度就要越低．故B正确．
【答案】 B
6．(双选)下列哪些现象属于能量的耗散( )
A．利用水流能发电变成电能
B．电能通过灯泡中的电阻丝变为光能
C．电池的化学能转变为电能
D．火炉把屋子烤暖
【解析】 电能转化为光能，化学能转化为内能，最终都变成环境中的内能，无法再加以收集利用，B、D均为能量耗散．
【答案】 BD
7．(双选)太阳能、风能是清洁的新能源，为了环保，我们要减少使用像煤炭这样的常规能源而大力开发新能源．如图所示为建立的太阳能电站、风力电站．
太阳能电站 风力发电
划分下列能源的类别正确的是( )
A．石油、地热能、天然气属于新能源
B．地热能、核能、风能属于新能源
C．石油、天然气、煤属于常规能源
D．太阳能、风能、电能属于一次能源
【解析】 新能源是指人类发展历史过程中从前未曾使用过，而当今时代被开发利用的能源．常规能源是指一直被人类生产生活所使用的能源．故B、C正确，A错误．一次能源指自然形成未经加工，二次能源是指由一次能源经加工转化而来，如电能，故D项错．
【答案】 BC
8．温室效应严重威胁着人类生态环境的安全，为了减少温室效应造成的负面影响，有的科学家受到了啤酒在较高压强下能够溶解大量的二氧化碳的启发，设想了一个办法：可以用压缩机将二氧化碳送入深海底，永久储存起来．海底深处，压强很大，温度很低，海底深水肯定能够溶解大量的二氧化碳，这样就为温室气体二氧化碳找到了一个永远的“家”，从而避免温室效应．在将二氧化碳送入深海底的过程中，以下说法错误的是( )
A．压缩机对二氧化碳做功，能够使其内能增大
B．二氧化碳与海水间的热传递能够使其内能减少
C．二氧化碳分子平均动能会减少
D．每一个二氧化碳分子的动能都会减少
【解析】 考查热力学第一定律．压缩机压缩气体对气体做功，气体温度升高，内能增大，A对．二氧化碳压入海底时比海水温度高，因此将热量传递给海水而内能减小，B对．二氧化碳温度降低，分子平均动能减小，但不是每个分子的动能都减小，C正确，D错．
【答案】 D
9．某海湾所占面积1.0×107 m2，涨潮时平均水深20 m，此时关上水坝闸门，可使水位保持20 m不变．退潮时，坝外水位降至18 m．利用此水坝建立一座水力发电站，重力势能转化为电能的效率为10%，每天有两次涨潮，该电站每天发出的电能是(g取10 m/s2)( )
A．1×1010 J B．2×1010 J
C．4×1010 J D．8×1010 J
【解析】 每天水位下降时水的重力势能减少
ΔEp＝2mgΔh＝2×1.0×107×2×103×10×2 J＝8×1011 J
因转化为电能的效率为10%，所以每天发出的电能为
E＝ΔEpη＝8×1011×10%J＝8×1010J.
【答案】 D
10．有一座瀑布的高度是50 m，流量为12 m3/s，计划在瀑布底部利用水流能发电，设在瀑布顶处水流速率与从发电机处水轮机内流出的速率相等，且水流能有65%被利用，求安装的发电机功率最大值(g取10 m/s2)?
【解析】 设流量为Q，水的密度为ρ，
在t时间内通过水轮机的水的质量为m＝ρQt，
水的机械能有65%转化为电能，
故发电机功率为P＝＝ρQghη
＝1×103×12×10×50×65% W
＝3.9×103 kW.
【答案】 3.9×103 kW
11．开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求．太阳能的光热转换是目前技术最为成熟、应用最广泛的形式．太阳能热水器的构造示意图如图所示，下方是像日光灯管似的集热管，由导热性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金反光板，做成凹凸一定的曲面．
试分析下列有关太阳能的利用问题：
(1)说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应，水箱为何安装在顶部而非下部？
(2)图中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿________时针方向流动，这是因为____________________________
__________________________________________________.
C是辅助加热器，其作用是___________________________
__________________________________________________.
请在图中适当位置安上进水阀门和出水阀门，并说明选择位置的理由．
【答案】 (1)日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管，使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管间因空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金反光板，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚集在水管内，水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流．
(2)顺 集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动 在阴天用电加热的方式使水温升高 在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安出水阀门；可使热水流出，冷水得以补充．
12．某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆内10 %的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
【解析】 首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，这些气流的动能为mv2，转变的电能为E＝mv2×10%，故风车带动电动机功率为P＝＝
πr2ρv3×10%，代入数据以后得P＝3.4 kW.
【答案】 3.4 kW
