第十二章電能能量守恒定律12.4能源與可持續(xù)發(fā)展目錄124能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性能源的分類與應(yīng)用小結(jié)和練習(xí)3能源與社會(huì)發(fā)展?問(wèn)題導(dǎo)入內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化成電能，電能可以轉(zhuǎn)化成光能、內(nèi)能或機(jī)械能……既然能量是守恒的，不會(huì)憑空消失，為什么我們還要節(jié)約能源呢？能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性011能量守恒定律任何人類活動(dòng)都離不開能量，不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能1能量守恒定律

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。這個(gè)規(guī)律叫作能量守恒定律。

17~18世紀(jì)，許多人致力于制造一種機(jī)器，它不需要消耗任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功，史稱“第一類永動(dòng)機(jī)”，但是最終都以失敗告終，永動(dòng)機(jī)為什么造不出來(lái)？2能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性思考：把剛煮好的熱雞蛋放在冷水中，過(guò)一會(huì)，雞蛋的溫度降低，水的溫度升高，最后水和雞蛋的溫度相同。是否可能發(fā)生這樣的現(xiàn)象：原來(lái)溫度相同的水和雞蛋，過(guò)一會(huì)水的溫度自發(fā)的降低，而雞蛋的溫度上升？熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，也就是說(shuō)一切與熱學(xué)有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。2能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性燃料燃燒時(shí)一旦把熱量釋放出去，就不會(huì)再次自動(dòng)聚集起來(lái)供人們重新利用。實(shí)際上，大多數(shù)情況下，所有形式的能最終都會(huì)變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們很難把這些內(nèi)能收集起來(lái)重新利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。。2能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過(guò)燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收后變?yōu)橹車膬?nèi)能，但這些內(nèi)能卻不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化回電能，也很難收集起來(lái)重新利用。因此能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程有些是可以自然發(fā)生的，有些則不能。熱能光能熱能光能熱能光能熱能光能2能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性能量的耗散表明，在能量的利用過(guò)程中，能量在數(shù)量上雖未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了。。能源危機(jī)的深層含義便于利用的能量不便于利用的能量

能量的耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性，能源的利用受這種方向性的制約，所以能源的利用是有條件的，也是有代價(jià)的。2能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性火力發(fā)電廠燃燒燃料產(chǎn)生的熱能最終只有40%左右轉(zhuǎn)化為電能，如果進(jìn)行供暖的話，燃燒產(chǎn)生的熱能大約80%左右可以被人們利用到，剩余部分則會(huì)變?yōu)榄h(huán)境的內(nèi)能散失。2能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性一輛行駛的小轎車，燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能有370/0通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)排出，370/0直接由排氣管排出，只有260/0變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能。能量的總量是不變的，便于利用的能源卻在逐漸減少，因此節(jié)約能源，開發(fā)新能源是勢(shì)在必行的！能源的分類與應(yīng)用021能源的分類煤炭、石油和天然氣，這類能源叫作化石能源。化石能源無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)再生，所以這類能源被叫做不可再生能源。這類能源是生活中使用的主要能源。1能源的分類水能、風(fēng)能、潮汐能等能源，歸根結(jié)底來(lái)源于太陽(yáng)能。這些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。按照能源的基本形態(tài)，類似風(fēng)能、水能、煤炭、天然氣等自然界現(xiàn)成存在的能源也被叫作一次能源。類似汽油、柴油等經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換的能源也叫作二次能源。按照對(duì)環(huán)境的影響，能源也可以分為清潔能源和非清潔能源。2能源的應(yīng)用近年來(lái)，我國(guó)在能源開發(fā)方面取得了很大的成就。

太陽(yáng)能發(fā)電：太陽(yáng)能的利用對(duì)環(huán)境影響很小。利用太陽(yáng)能最有前途的領(lǐng)域是，通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能。目前我國(guó)是最大的光伏產(chǎn)品制造國(guó)，2015年年底，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到4.158×107kW。2022年9月底，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)3.58億千瓦，居世界第一。2能源的應(yīng)用

2能源的應(yīng)用

風(fēng)能發(fā)電：為了增加風(fēng)力發(fā)電的功率，通常把很多風(fēng)車建在一起，成為“風(fēng)車田”。我國(guó)風(fēng)力資源豐富，尤其是西北、華北、華東、西南地區(qū)。隨著新能源政策的引導(dǎo)及風(fēng)力發(fā)電、并網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電開發(fā)走在了世界前列，裝機(jī)容量世界第一。2能源的應(yīng)用

核能發(fā)電：19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們揭開原子核的神秘面紗的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了原子核所具有的驚人能量。一些質(zhì)量大原子核在裂變成較輕的原子核時(shí)會(huì)釋放出大量的能量。1kg的鈾235全部發(fā)生核裂變釋放出的能量，相當(dāng)于2800t的標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的能量。可控核裂變反應(yīng)所釋放的能量，可以很好地被人們利用，核電站就是利用可控核裂變來(lái)發(fā)電的。現(xiàn)在全世界產(chǎn)出的電能的16%都是來(lái)自于核能。大亞灣核電站防城港核電站秦山核電站2能源的應(yīng)用

核能發(fā)電：核能在利用時(shí)一旦發(fā)生核泄漏事故，就可能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，同時(shí)核廢料也具有放射性，因此科學(xué)家制定了嚴(yán)格的安全措施和安全標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代百萬(wàn)千瓦級(jí)核電技術(shù)站——華龍一號(hào)，吸取了日本福島核事故教訓(xùn)，同時(shí)根據(jù)我國(guó)和全球最新安全要求，設(shè)置了完善的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，其安全指標(biāo)和技術(shù)性能已達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)的三代水平。我國(guó)的核能發(fā)電技術(shù)已居于世界領(lǐng)先地位。2能源的應(yīng)用

核能發(fā)電：一些質(zhì)量較輕的原子核聚變時(shí)，也會(huì)釋放出大量的能量。一個(gè)原子核聚變產(chǎn)生的能量是一個(gè)原子核裂變產(chǎn)生的能量的3~4倍。核聚變產(chǎn)生的廢料相比核裂變也少得多。所以，由聚變產(chǎn)生核能是一種很好的方式。海洋中所蘊(yùn)含的核聚變?cè)先堪l(fā)生核聚變，產(chǎn)生的核能足夠全人類使用上百億年。因此核能也被稱為最具希望的未來(lái)能源。可控核聚變也是目前對(duì)核能應(yīng)用的重要研究之一。中國(guó)可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置能源與社會(huì)發(fā)展031能源與社會(huì)發(fā)展我們的衣食住行和社會(huì)的存在與發(fā)展都離不開能源。人類歷史上，社會(huì)的每一次大變革，都伴隨著能源科技的突破。人類對(duì)能源的利用大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期：柴薪時(shí)期煤炭時(shí)期石油時(shí)期1．火的使用是人類在能源使用上的第一個(gè)里程碑；2．蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，化石能源的大規(guī)模利用，開始了人類文明的新紀(jì)元；3．內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，推進(jìn)了機(jī)械化和電氣化的進(jìn)程。1能源與社會(huì)發(fā)展能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，然而在能源的利用過(guò)程中造成的環(huán)境惡化，已經(jīng)成為關(guān)系到人類社會(huì)能否持續(xù)發(fā)展的大問(wèn)題。化石能源在加工和使用過(guò)程中，會(huì)排放大量的二氧化碳和二氧化硫等物質(zhì)到大氣中，造成“溫室效應(yīng)”“酸雨”等問(wèn)題的出現(xiàn)。“溫室效應(yīng)”造成冰川融化“酸雨”中的生活1能源與社會(huì)發(fā)展能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，然而在能源的利用過(guò)程中造成的環(huán)境惡化，已經(jīng)成為關(guān)系到人類社會(huì)能否持續(xù)發(fā)展的大問(wèn)題。酸雨破壞森林1能源與社會(huì)發(fā)展內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氮的氧化物和碳?xì)浠衔铮@些化合物在大氣中受到紫外線照射，會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)煙霧。燃燒時(shí)產(chǎn)生的浮塵也會(huì)造成“霧霾”天氣的出現(xiàn)。1能源與社會(huì)發(fā)展社會(huì)的高速發(fā)展造成了能源緊缺，過(guò)度使用化石能源也造成了環(huán)境的污染。人類的生存與發(fā)展離不開能源，能源的開發(fā)與利用又會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。可持續(xù)發(fā)展的核心是追求發(fā)展與資源、環(huán)境的平衡：既要滿足當(dāng)代人的需求，又不損害子孫后代的需求。一方面要大力提倡節(jié)能，另一方面要發(fā)展使用可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等在生產(chǎn)及消費(fèi)過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境污染程度低的清潔能源，推動(dòng)形成人與自然和諧發(fā)展的生態(tài)文明。小結(jié)和練習(xí)041小結(jié)1．能量守恒定律；2．能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的；3．能源的分類；4．可持續(xù)發(fā)展；1．回答下列問(wèn)題（1）能量遵從能量守恒定律，所以能源是取之不盡、用之不竭的，不需要節(jié)約能源，這種觀點(diǎn)正確嗎？（2）有人認(rèn)為，生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋淠堋⒖扇急艿榷伎赏豢杉埃瑳](méi)有開發(fā)和利用的前景，這種想法對(duì)嗎？2練習(xí)答：（1）不正確，在能源的利用過(guò)程中，能量在數(shù)量上雖未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的能源變成了不便于利用的能源，所以我們?nèi)孕枰?jié)約能源。（2）不對(duì)。目前有許多新能源正廣泛應(yīng)用在日常生活中。2．能源消耗的過(guò)程中，我們無(wú)法把一些能源消耗產(chǎn)生的內(nèi)能收集起來(lái)重新利用，這種現(xiàn)象叫作能量的耗散。對(duì)于能量耗散理解正確的是（）A．能量耗散說(shuō)明能量在不斷地減少B．能量耗散不遵循能量守恒定律C．能量耗散說(shuō)明能量不能憑空產(chǎn)生，但能量卻可以憑空消失D．能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性2練習(xí)D3．某居民樓頂部平臺(tái)安裝了

12

塊太陽(yáng)能電池板。利用這些電池板收集太陽(yáng)能發(fā)電，發(fā)電時(shí)總功率可達(dá)到

3kW，工作電壓為

380V，平均每天發(fā)電

6h；發(fā)電總能量的30%

供本樓使用，富余電能以

0.2

元/度價(jià)格并入國(guó)家電網(wǎng)。則下列說(shuō)法正確的是

（）A．該光伏項(xiàng)目年發(fā)電量約為6.75×104kW·hB．該光伏項(xiàng)目的工作總電流約為0.3AC．該光伏項(xiàng)目富余發(fā)電的年收入約1400元D．該光伏項(xiàng)目平均每天的發(fā)電量可供一只60W的白熾燈正常工作約300小時(shí)2練習(xí)D4．三峽水力發(fā)電站是我國(guó)最大的水力發(fā)電站。三峽水庫(kù)蓄水后，平均水位落差約為100m，用于發(fā)電的水流量約為1.0×104m3/s。如果通過(guò)水輪以后水的動(dòng)能忽略不計(jì)，水流減少的機(jī)械能有90%轉(zhuǎn)化為電能，g取10m/s2

。（1）按照上述數(shù)據(jù)估算，三峽發(fā)電站的發(fā)電功率最大是多少？（2）根據(jù)你對(duì)家庭生活用電的調(diào)查來(lái)估算，如果三峽電站全部用于城市生活用電，它可以滿足多少個(gè)百萬(wàn)人口城市的生活用電？2練習(xí)

2練習(xí)5．風(fēng)能是一種很好的可再生能源，而且對(duì)環(huán)境的污染較小，近年來(lái)我國(guó)在西北地區(qū)建立了許多風(fēng)力發(fā)電廠。如圖所示為風(fēng)力發(fā)電的情景，通過(guò)風(fēng)輪機(jī)一個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過(guò)面積的最大風(fēng)能為這臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可利用風(fēng)能。已知：空氣的密度為

ρ，風(fēng)輪機(jī)葉片的長(zhǎng)度為

r，若風(fēng)速為

v0，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電功率為

P，求此過(guò)程中：（1）每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可利用風(fēng)能的功率的表達(dá)