第十二章 4 能源与可持续发展

问题 ？

我们知道，内能可以转化成电能，电能可以转化成光能、内能或机械能……既然能量是守恒的，不会凭空消失，为什么我们还要节约能源呢？

机械能守恒定律告诉我们，做机械运动的物体具有动能和势能，相互之间可以转化；在电路中，电源将其他形式的能转化为电能，负载又将电能转化为内能、光能和机械能……能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这个规律叫作能量守恒定律（law of energy conservation）。

能量转移或转化的方向性

思考与讨论

把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升？

这一现象并不违反能量守恒定律，但是这样的过程为什么不存在呢？科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。例如，假设达到相同温度的鸡蛋和水能自发地变成原来的温度的热鸡蛋和冷水，那么原来的过程就是可逆的。但事实上这个现象是不可逆的。虽然能量是守恒的，但是，在自然界中，能量的转化过程有些是可以自然发生的，有些则不能。例如，燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。又如，电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫作能量的耗散。

能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。

能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。能源的利用受这种方向性的制约，所以，能源的利用是有条件的，也是有代价的。

能源的分类与应用

煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源。

石油和煤炭是古代植物和动物的遗体在地层中经过一系列生物化学变化而生成的，与古生物化石有些相似，所以叫作化石能源。

水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能（图12.4-1）。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。

近年来，我国在能源开发方面取得了很大的成就。

太阳能发电 太阳能的利用对环境的影响很小。利用太阳能最有前途的领域是，通过太阳电池将太阳能直接转化成电能。目前我国是最大的光伏[1]产品制造国。2015年年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到 4.158×10⁷ kW。

水力发电 水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式。水电对环境的影响比火电小，发电成本低。到2015 年中国水电装机总量突破 3×10⁸ kW，约占全球水电装机总量的，居世界第一。

风能发电 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”。我国风力资源丰富，尤其是西北、华北、华东、西南地区。随着新能源政策的引导及风力发电、并网等技术的发展，我国风力发电开发走在了世界前列，装机容量居全球第一。

核能发电 一些质量较大的原子核在裂变成较轻的原子核时，会释放出惊人的能量。同样质量的化学燃料与核燃料相比，如果都进行了完全反应，核燃料释放出的能量要远远大于化学燃料释放出的能量。可控制的裂变反应所释放出的能量，可以很好地被人们所利用。核电站就是利用可控核裂变来发电的。

有些质量较小的原子核聚合在一起发生聚变时，也会释放出能量（图 12.4-2）。它比裂变反应的产能效率高，产生的核废料也比裂变的少，所以，由聚变产生核能是一种很好的方式。人们预计 21 世纪中叶，核聚变会有重大的技术突破。

由于核电站一旦发生核泄漏事故，就可能发生严重的危害，同时核废料仍然具有放射性，因此科学家们制订了严格的安全措施和安全标准。

我国具有完全自主知识产权的三代百万千瓦级核电技术电站——华龙一号（图 12.4-3），吸取日本福岛核事故教训，同时根据我国和全球最新安全要求，设置了完善的严重事故预防和缓解措施，其安全指标和技术性能已达到国际最先进的三代水平。我国的核能发电技术已居于世界领先地位。

能源与社会发展

人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。

火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。18 世纪末发明和逐步完善的蒸汽机，以对化石能源的大规模利用为特征，开始了人类文明的新纪元。内燃机的发展则强有力地推动了 19 世纪末、20世纪初开始的机械化与电气化进程。到了 20 世纪 50 年代，世界石油和天然气的消耗量超过了煤炭。20 世纪中叶之后，随着核能的和平利用以及其他新能源技术的发展，人类对能源的利用，正从第三个时期向多能源结构时期过渡，但这一转换还远没有完成。能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。

能源是人类社会活动的物质基础。然而，煤炭和石油资源是有限的。大量煤炭和石油产品在燃烧时产生的气体改变了大气的成分（图 12.4-4），甚至加剧了气候的变化。例如，石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由此加剧了温室效应，使得两极的冰雪融化，海平面上升……再如，石油和煤炭中常常含有硫，燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化土壤。内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮的氧化物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒，会引起人的多种疾病。燃烧时产生的浮尘也是主要的污染物。

随着人口迅速增长、经济快速发展以及工业化程度的提高，能源短缺和过度使用化石能源带来的环境恶化已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。人类的生存与发展需要能源，能源的开发与使用又会对环境造成影响。可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。这就需要树立新的能源安全观，并转变能源的供需模式。一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明。

STSE

汽车和能源

在发达国家，能源总量的40%左右消耗在交通运输业上，而各种汽车消耗的能量又占全部交通工具能耗总量的73%。在我国，汽车保有量迅速增加，汽车能源消耗、尾气污染随之大幅度增加。

一辆汽车以80 km/h的速度行驶时，每10 km耗油约1 L。根据汽油的热值进行简单的计算可知，这时消耗的功率约为70 kW。

图12.4-5是一辆小汽车行驶时功率分配的大致比例图。具体说来，在70 kW中，约有1 kW由于汽油的蒸发而“消失”。这部分“消失”的汽油分散到大气中，其化学能无法利用，而且还成了化学污染源。剩下的69 kW进入发动机，大约只有17 kW用于做功，而其余的52 kW包括了排气管排出的废热和散热器的热量散失，两者约各占一半。这是最大的一笔能量损耗。

废气的主要成分是CO₂ 和H₂O。尽管这两种物质对人类没有毒性，但是CO₂ 是导致全球气候变暖的罪魁祸首。废气中还有CO、NO、NO₂ 以及未燃烧的碳氢化合物，这些则是有害的物质。

用于做功的17 kW也有不少损耗。约5 kW 用于发动机的水箱循环和空调，约3 kW 消耗于传动装置，最后只有9 kW 到达驱动轮，使得整辆汽车的总效率仅为13%左右。这9 kW的功率推动汽车前进，其中约一半用于克服空气阻力，另外一半用于克服摩擦。随着车速改变，克服空气阻力与摩擦的功率分配也会发生变化。

汽车的发明促进了社会生产的发展，也给我们的生活带来了很大的便利。但汽车在大量消耗能源的同时，也给环境带来了污染。

为了减少汽车造成的环境污染，许多国家对汽车的节能、减排提出了新的要求。现在汽车企业主要通过以下三个方面进行节能、减排技术改进。

一是在使用传统动力（汽柴油发动机）的基础上，进行综合节能技术的改进；

二是使用混合动力（汽柴油发动机、电动机）技术；

三是使用纯电动动力技术。

我国把混合动力车（包括插电式混合动力车）、氢燃料电池电动车和电池电动车统称为新能源汽车。我国新能源汽车产业始于21世纪初，目前基本上与发达国家处在同一个发展阶段。

练习与应用

1．有人说 ：“既然能量不会凭空产生，也不会凭空消灭，能量在转化和转移的过程中，其总量是保持不变的，那么，我们为什么还要节约能源？”请你用能量转化和转移的方向性来论述节约能源的必要性。

2．生活中的许多用品都可以看作能量转化器，它们把能量从一种形式转化为另一种形式。请观察你家中的各种生活用品，分别指出它们工作时进行了哪些能量转化。

3．图 12.4-6 是某工程师的轻轨车站设计方案，与站台前后连接的轨道都有一个小坡度，列车进站时要上坡，出站时要下坡。假设站台高度比途中轨道高出 2 m，列车在途中轨道进站前的速度为 29.2 km/h。

（1）此时切断电源，不考虑阻力，列车能否“冲”上站台？ 如果能，到达站台上的速度是多大？ g 取 10 m/s²。

（2）你认为工程师这样设计的意图是什么？

4．某地区的风速为 14 m/s，空气的密度为1.3 kg/m³ 。若使风力发电机转动的风通过的截面积为 400 m² ，且风能的 20% 可转化为电能，则发电功率是多少？

5．图 12.4-7 是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量 E₀ 为 7×10^-3 J/（m²·s）。一台热水器的聚热面积为 2 m²，若每天相当于太阳直射热水器 4 h，太阳能的 20% 可转化为水的内能，那么这个热水器一天内最多能利用的太阳能为多少？

6．三峡水力发电站是我国最大的水力发电站。三峡水库蓄水后，平均水位落差约为 100 m，水的流量约为 1.35×10⁴ m³ /s。船只通航需要约3 500 m³ /s 的流量，其余流量可全部用来发电。水流冲击水轮机发电时，水流减少的机械能有20% 转化为电能。

（1）按照以上数据估算，三峡发电站的发电功率最大是多少？

（2）根据你对家庭生活用电的调查来估算，如果三峡电站全部用于城市生活用电，它可以满足多少个百万人口城市的生活用电？

 教材分析与教学建议

1．教学目标

（1）列举各种实例，说明能量是如何转化的，解释能量守恒定律的含义。

（2）通过实例分析知道能量耗散，认识自然界中能量转化的方向性。

（3）收集资料，讨论能源的开发与利用所带来的环境污染问题，认识环境污染的危害，思考科学·技术·社会·环境协调发展的关系，具有环境保护的意识和行动。

（4）了解太阳能、水能、核能和凤能等能源的开发利用，知道利用能量是人类生存和社会发展的必要条件之一。知道人类利用的能量来自可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯。

2．教材分析与教学建议

本节从能量耗散的角度提出了能源与环境问题，介绍了我国在能源开发方面取得的成就。通过关注技术应用带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和社会责任感。引领学生认识科学的本质以及科学·技术·社会·环境（ STSE）的关系，形成科学态度、科学世界观和价值观，为做有责任感的社会公民奠定基础。

教科书以“问题”引出能量耗散概念，渗透了自然界的宏观过程都具有方向性的规律。接着分析了当今社会的能源和环境问题，介绍了我国在寻找清洁能源方面取得的成就。最后总结了能源与社会发展的关系以及目前能源利用的发展方向。“STSE”栏目通过介绍汽车行驶时的功率分配比例，让学生认识到汽车在大量消耗能源的同时也给环境带来污染。

本节的教学重点和难点是通过本节的学习，让学生认识到目前面临的能源与环境问题，理解这两个社会问题产生的原因，使学生理解开发利用清洁能源的价值，在理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，形成应有的科学态度和社会责任感。

为提高物理核心素养、实现课程目标，本节课可以采取在学生自主学习的基础上展开讨论的教学方式。在涉及科学技术与社会的问题时，重要的是启发学生进行这方面的思考，鼓励他们发表自己的见解。不要求学生提出有很高价值的意见，更不宜过多地评价见解的对与错。

教学时，在课前布置学生预习和自学，分几个专题以学习小组为单位布置学生查找资料，在课堂上，向全班汇报自学情况以及查找资料的成果。学生通过自己的独立思考，归纳、总结并提出自己的看法、体会等。在此基础上组织学生讨论，尽可能让学生充分发表意见。课后让学生就清洁能源的利用和我们的未来生活写一篇小论文。

教学片段

专题引导

• 既然能量是守恒的，为什么我们还要节约能源呢？
• 温室效应的产生原因及影响，解决的策略有哪些？
• 酸雨的成因及危害，酸雨的防治措施有哪些？
• 热机的大量使用会造成哪些环境污染问题？
• 我国光伏发电的现状和发展前景。
• 水力发电有哪些优势和缺点？
• 风力发电的现状和发展前景？
• 为什么说煤、石油、天然气、水能和风能归根结底来源于太阳的辐射能？
• 从可持续发展的角度说明寻找高效清洁的新能源的意义。

能源问题是当今世界的热点问题，本节教学应充分联系生产和生活实际，引导学生关注社会、关注人类的未来，并充分体现从生活走向物理，从物理走向社会的教学思想和教学理念。

对于能量转移或转化的方向性，教学中要引导学生通过对熟悉实例的分析，认识到能量转化的方向性；区分能量和能源两个不同的概念，培养学生节约能源的意识。

教学片段

能量转移或转化的方向性

提出问题：我们知道热可以用来发电，电可以用来发光、发热或产生机械能……既然能量是守恒的，不会凭空消失，为什么我们还要节约能源呢？

分析：能量和能源是两个不同的概念。能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。自然界的总能量是守恒的，但能源属于稀缺物质，为什么这样说呢？

我们分析具体的能量转化过程：火炉中燃料燃烧时，把化学能转化为内能散失在周围环境中。逆过程能自发进行吗？环境中的内能自动聚集起来转化为化学能，显然是不可能的。再看一个例子：一个运动的物块在水平面上滑行，最终停下来，这个过程中物块的机械能全部转化为内能。反过来，内能全部转化为机械能让物块重新动起来是不会实现的。

分析一个系列的能量转化过程：热电厂燃烧燃料把化学能转化为内能；一部分内能通过热轮机转化为机械能；热轮机带动发电机发电，把机械能转化为电能；电能通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能。可见各种能量经过一系列转化，最终会变为环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。

从可被利用的角度来看，内能和化学能、电能、机械能相比，是一种品质较低妁能量。能量的耗散尽管不会使总能量减少，但却导致能量品质的降低。煤、石油和天然气等能源储存着高品质的能量，当它们被利用时，高品质能量释放出来并最终转化为低品质的内能。所以，能量尽管不会减少，但能源会越来越少，大家应该节约能源。

能量的耗散是从能量转化的角度反映了自然界的宏观过程具有方向性。宏观过程的方向性有不同的表现形式，比如热量可以自发地由高温物体传递给低温物体，但逆过程不会自发进行；水和酒精混合后会自发地混合均匀，但不会自动地把两者分离。一副排好顺序的扑克牌经过多次洗牌后顺序越来越乱，把一副乱序的扑克牌经过多次洗牌后不会变得按一定顺序排列。如果同学们对这个问题想了解更多，可以通过网络查阅“热力学第二定律”“熵”等关键词。

能源危机问题是全球性问题，也是我国面临的紧迫问题。从能量的耗散让学生认识能源危机的科学根源，从而培养学生的科学态度和社会责任感。

教科书后面“STSE”栏目“汽车和能源”，用翔实的数据让学生认识到汽车的耗能问题和对环境的污染，有助于培养学生分析解决问题的能力和社会责任感。

教学片段

汽车和能源

提出问题：请大家阅读教科书，思考下列问题：

①93号汽油的密度为0.725 kg/L，汽油的燃烧值是0.46×10⁷ J/kg，汽车以80 km/h的速度行驶时，百千米耗油约10 L，求汽车消耗的总功率。

分析：教科书中直接给出消耗的功率约为70 kW。可以从网络查出某标号汽油的密度和燃烧值，让学生通过计算得出答案（约74 kW），培养学生利用所学的知识解决问题的能力。

②由材料中提供的数据计算汽车的效率。

分析：教科书中给出消耗的功率约为70 kW，最后只有9 kW到达驱动轮。效率等于有用功与总功之比，所以汽车的效率为12.9%。学生通过计算会感受到目前汽车的效率还非常低，大量的能源被白白耗掉了。

③由材料中提供的数据计算汽车发动机工作时产生的牵引力。

分析：教科书中给出有9 kW的功率到达驱动轮来产生牵引力，汽车以80 km/h的速度行驶，由公式P＝Fv可得牵引力为405 N。

④汽油的化学能最终转化为什么能？

分析：大部分转化为内能，由于散热器损失、排气管热损散失到大气中。一小部分转化为机械能，但由于摩擦和空气阻力，机械能最终又转化为内能。可见，便于利用的化学能最终转化为不便于利用的内能，即能量耗散。

⑤为什么说汽车给我们的生活带来便利的同时，会给环境带来污染？

分析：一部分汽油由于蒸发散失在大气中成了化学污染源；排放的废气中主要成分是CO₂和水，CO₂的排放会加剧温室效应，导致全球变暖；废气中还有CO、NO、NO₂以及未燃烧的碳氢化合物，这些是有毒物质。

汽车工业的发展极大地促进了社会发展，同时也带来一些社会问题。通过引导学生分析汽车带来的问题和解决策略，培养学生辩证地看待问题，认识科技的本质。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节“练习与应用”主要同绕能源和可持续发展来设计问题，突出体现了物理核心素养中的“科学态度与责任”，围绕着科学·技术·社会·环境（ STSE）展开。第1题从能量转化和转移的方向性来探讨节约能源的必要性。第2题要求学生观察生活中各种常见的用品，探讨其背后进行了哪些能量转化，有利于学生体会能量转化的途径。第3题是一道轻轨设计方案背景的题目，要求通过简单的计算，理解工程上为节约能源所做出的有益尝试，在论证与评估的过程中加深对所学知识的理解和应用。第4题要求学生在题目条件的背景下建立正确的物理模型，计算出风力发电机的发电功率。第5题则是关于太阳能热水器的应用题。在解题过程中培养理论联系实际的良好习惯，促进学生主动思考能源与环境、能源与社会发展等问题。第6题以三峡水力发电站为背景，要求在正确理解能量转化关系的基础上计算三峡发电站的发电最大功率及供电能力。这6道题从理论到实际，基本上以日常生活、具体场景为载体，使学生加深对科学本质的认识，理解科学·技术·社会·环境（ STSE），逐渐形成正确的科学态度以及责任感。

1．虽然从理论上讲宇宙间能量的总和是保持不变的，但是大自然中能量的辖化和转移却是有方向性的。这意味着对于人类而言，以目前的技术条件来看，可利用的能源总数量是有限的，而不是无限的。能源种类中有可再生的能源，而绝大多数种类都是不可再生能源。这意味着人类活动、生活、生产所消耗掉的能量，有很大一部分是不可回收并且不可持续反复使用的。能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了。这是能源危机的深层次的含意，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。因此，我们需要节约能源，同时也为保护环境，促进人类的科学发展、和平发展与可持续发展贡献出我们自己的一份力量。

2．家用电饭锅把电能转化为内能，洗衣机把电能转化为动能，煤气炉燃烧时把化学能转化为内能，等等。

3．（1）能，5.1 m/s

（2）工程师这样设计，在保证车辆和乘客安全的前提下，尽可能科学地利用能量转化，让车辆的一部分动能转化为车辆的重力势能，使得车辆行驶速度降到一个安全合理的范围，减少因为刹车造成的能量浪费，从而达到科学合理利用能量、节约能源的目的。

提示：（1）设车辆（含乘客）总质量为m，刚要上坡时的初速度为v₀＝29.2 km/h＝8.1  m/s，初动能可以记为E_k＝\(\frac{1}{2}\)mv₀²＝32.8m（J）。站台高度h＝2 m，那么车辆冲上站台时重力势能的增加量ΔE_p＝mgh＝20m（J）。E_k＞ΔE_p，所以车辆依靠惯性即可“冲”到站台上。

根据机械能守恒定律，E_k－\(\frac{1}{2}\)mv_t²＝ΔE_p，代入数据，解得v_t＝5.1 m/s。

4．142.7 kW

提示：建立一个关于风力发电机的物理模型，则通过风力发电机的风的发电功率为P＝ηP₀＝η\(\frac{{\frac{1}{2}mv_0^2}}{t}\)＝\(\frac{{\frac{1}{2}\rho S{v_0}tv_0^2}}{t}\)＝\(\frac{1}{2}\)ηρSv₀³＝0.5×20%×1.3×400×14³ W＝142.7 kW。

5．4.032×10⁷ J

提示：根据题意可知，这个热水器一天内最多能利用的太阳能为Q＝ηE₀St＝20%×7×10³×2×4×3 600 J＝4.032×10⁷ J。

6．（1）2.0×10⁶ kW；（2）12

提示：（1）由题意可知，三峡水库蓄水后，用于发电的水流量Q＝（1.35×10⁴－3 500）m³/s＝1.0×10⁴ m³/s。每秒转化成的电能即发电功率是P＝\(\frac{{mgh\eta }}{t}\)＝\(\frac{{\rho Qtgh\eta }}{t}\)＝ρQghη＝1.0×10³×1.0×10⁴×10×100×20% W＝2.0×10⁹ W。发电功率最大为2.0×10⁹ W＝2.0×10⁶ kW。

（2）设三口之家每户家庭的生活用电功率为1 kW，考虑到不是每家同时用1 kW的电，假设平均每家同时用电0.5 kW，则三峡发电站能供给\(\frac{{2.0 \times {{10}^6}}}{{0.5}}\)＝4.0×10⁶户用电，人口数为3×4.0×10⁶＝12×10⁶，即可供12个百万人口的城市的生活用电。

发布时间：2020/7/11 上午11:31:29  阅读次数：3285