第20章 能量和能源.doc

第20章 能量和能源
第一节 能量的转化与守恒
知能点1：多种形式的能量
科学研究表明，自然界中能量展现的形式虽然多种多样，但根据其特点，大致可分为机械能、电磁能、内能、化学能和核能等。其中机械能、电磁能及内能在前面的章节已经讲述，这里就主要讲述化学能和核能。其中化学能是由于物质之间发生化学反应，物质的分子结构变化而产生的能量。例如：木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光和热，就来源于木材里储存的化学能。核能是由于核反应，物质的原子结构发生变化而产生的能量。例如：原子弹、氢弹爆炸时释放的能量就来源于原子核反应。
知能点2：能量的转移与转化
自然界中存在着各种形式的物质运动，如机械运动、分子热运动、电磁运动等等，每一种运动都有一种能跟它对应，因此具有各种形式的能。跟机械运动对应的是机械能，跟分子热运动对应的是内能。此外，跟其他运动形式对应的还有电能、光能、化学能和核能等等。
各种能都能够做功。例如：蒸汽和燃烧气体的内能可以通过蒸汽机、内燃机等热力发动机来做功。做功的过程实际上是能的转化过程。当巨大的列车缓缓起动的时候，内能就逐渐地转化为机械能；转动的车轮由于摩擦生热，一部分机械能又转化为内能。
其实，各种形式的能都可以互相转化。
电流通过电动机使它转动，电能就转化为机械能；在水力发电站中，水流冲动水轮机带动发电机发电，水流的机械能又转化为电能。
光照射在物体表面，使物体的温度升高，光能就转化为内能；光照射在光电池板上，能够产生电流，光能就转化为电能。反过来，电流通过灯丝使它发热、发光，电能又转化为内能和光能。
下列过程中能量是如何转化的？
①石块从空中落下 重力势能转化为动能
②水力发电 机械能转化为电能
③电动机工作 电能转化为机械能
④用电炉烧水 电能转化为内能
⑤电灯发光 电能转化为内能和光能
⑥蜡烛燃烧 化学能转化为内能和光能
⑦乒乓球从地板上跳起来 势能转化为动能
⑧来回迅速摩擦双手 机械能转化为内能
⑨运动中的机器 内能转化为机械能
⑩运转中的电风扇 电能转化为机械能
同学们，你还发现了哪些能量转化的例子，说出来议一议。
结论：⑴能的转化：各种形式的能在一定条件下可以发生转化。
①动能和势能的转化：在滚摆实验中，若无阻力，滚摆的重力势能和动能可以相互转化，且滚摆在最高点的重力势能等于最低点的动能，也等于滚摆在滚动过程中的动能和重力势能的和，即机械能的总量保持不变。
②内能和机械能的相互转化：在摩擦生热现象中，机械能转化为内能，克服摩擦做了多少功，就有多少机械能转化为等量的内能；同样在气体膨胀做功现象中，内能转化为机械能，气体膨胀做了多少功，就有多少内能转化为等量的机械能。
③其他形式能之间的转化：燃料燃烧时放出热量，化学能转化为内能。植物吸收太阳光进行光合作用，光能转化为化学能。
④能的转移：在热传递过程中，能量从一个物体转移到另一物体上，或从物体的一部分转移到另一部分，能量的总量保持不变。
知能点3：能量守恒定律
⑴停止用力，秋千会越摆越低最后静止下来；
⑵如图所示，在A点释放小球，小球滚动到B点后再往回滚动，注意观察小球越滚越慢，最终静止下来，停留在O点。
⑶乒乓球在地板上弹起落下，落下又弹起，但是越跳越低，最终会停下来。
A、请讨论秋千、小球、乒乓球、汽车在运动中的能量转化。
B、为什么它们越来越低或越来越慢而最终停下来？是否丢失了能量？能量到哪儿去了呢？
科学工作者经过长期的探索，发现自然界的各种现象不是孤立的，而是互相联系的。用能量的观点可以反映这种联系。大量事实证明，任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，能的总量是保持不变的。
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变。这就是能量守恒定律。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。大到天体，小到原子核，也无论是物理学的问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都服从能量守恒定律。能量守恒定律是人类认识自然、利用自然、保护自然的有力武器。
能量守恒定律是我们认识自然的重要依据，它可以使我们进一步了解自然界各种现象之间的联系。下面我们来看看太阳能的转化。
太阳光照射到地面上，把地面、空气、水面晒热，太阳能转化为土壤、空气、水的内能。变热的空气上升，使空气流动而形成风，太阳能转化为空气的机械能。水被晒热，蒸发出的水蒸气上升到空中形成云，又以雨、雪等形式落下来，通过江河流入海洋，太阳能又转化为水的机械能。太阳能的一部分被植物叶子吸收，发生光合作用，生成各种有机化合物，太阳能又转化成植物的化学能。植物作为食物被动物吃掉，植物的化学能又转化为动物的化学能。人以动、植物为食物，从中获得了维持生命活动的能量。古代的植物、动物在地质变迁中转化成煤、石油、天然气，成为我们现代工农业生产和生活的主要能源。在水力发电站和火力发电站里，水的机械能，煤、石油和天然气的化学能又转化为电能。在工厂、农村和家庭中，电能又通过各种电器转化成机械能、内能、光能等。
能量守恒定律对于科学研究、工程技术、工作有着重要的指导意义。
名词：
转化：能的转化是伴随着物体做功而表现出来的，能的形式发生了改变。如：打铁时铁块温度升高，内能增加，是通过做功（打铁）的过程使机械能转化成了内能。再如电炉发热，是电流做功时使电能转化成了内能。一种形式的能增加了，肯定有别的形式的能减少。
转移：能的转移是指同一种能量从一个物体转移到另一个物体，能的形式并没有变化。如热传递时内能从高温物体转移到低温物体。再如流水推动水轮机转动，水的机械能转移到了水轮机上。
第二节　能源与社会
知能点1：自然界的能源
⑴古代人们钻木取火，现代人们利用原子核能发电，都是为了获得能量。能量在人类生活和生产中是不可缺少的，凡是能够提供能量的物质都可叫做能源。能源是我们进行现代化生产建设、提高人民生活水平的重要物质基础。
⑵煤、石油和天然气在燃烧时可放出内能，水流和风可推动水轮机和风力发电机转动，这些是多年来人类利用的重要能源。但是我们知道，煤、石油和天然气的贮量是有限的，而随着科学技术的发展及世界总人口的增长，现代生产和生活中对能量的需求量日益增加，摆在我们面前的迫切任务是提高能源的利用率，开发新能源。
内能转化为机械能的装置是热机，而热机效率较低，往往有一半以上的内能随废气跑掉，如果能充分利用废气带走的余热，则可大大提高燃料利用率，目前利用这种余热的办法是火力发电站实行电热并供，利用蒸汽轮机排出的蒸气，给工厂、居民供热。电热并供的电站叫做热电站。
太阳能、地热能已经开始采用。太阳能无污染，而且取之不尽，用之不竭。利用太阳能的有各种形式的太阳灶、太阳能热水器、太阳能采暖装置等，已经非常普遍。太阳能电池是利用某些材料能够把太阳能转化为电能的特性制成的。我国已经能够制造多种类型、规格的太阳能电池，作为小功率的电源应用于航标灯塔、交通信号指示灯、广播通信台站、气象站、电视机、收录机、计算器、游艇、汽车等。由于太阳能具有的优点，它的利用已引起世界各国的重视。不过它受昼夜和天气的影响较大，要想大规模利用还需在技术上不断提高，可以预料，不久的将来太阳能会成为人们利用的重要能源之一。
地热能的利用也有很大的潜力，在我国的西藏已建成我国第一个地热发电站――羊八井地热电站。在首都北京也有丰富的地热资源，城区的地热田面积约有800平方千米。地热使用时没有燃烧过程，没有灰渣、废气和烟尘，又不污染水源，是既经济又清洁的能源。
海洋蕴藏着极其丰富的能源，不仅有海浪、潮汐等机械能，而且射到地球上的太阳能，有三分之二落到海洋上而被海水吸收，海水表层的温度比深层的温度高，可以利用它们的温差来发电。现在已经有一些国家建成了海水温差发电装置。
从20世纪40年代以来，原子核能的利用和开发已取得很大进展，在核能的和平利用方面，人们首先想到用它发电，因为电能很容易和其他形式的能相互转化，使用起来方便，管理、操纵简单，且电器清洁，电能便于远距离输送，损失小。目前，人们已建立了许多核电站，生产大量的电能。
现在建成的核电站是利用了核裂变反应所放出的能量。除了原子核分裂可以放出原子核能外，一些很轻的原子核聚合成较重的核时，也会放出核能，而且往往可放出比裂变时更多的能量，这种反应叫聚变反应。核聚变的材料也非常丰富，据测算，作为聚变材料的氘在海水里大量存在，总量约有数百万亿吨，足够我们用上几亿年。为了使大量轻的核发生聚变反应，以便提供可实际利用的能量，就要将它们加热到上亿度的高温。因此，这种反应也叫做热核反应。氢弹就是利用聚变反应制成的武器，在其中发生的是不可控制的热核反应。如何控制热核反应的速度，使放出的能量可以和平利用，目前还处于研究之中。
⑶为适应现代化建设的需要，在开“源”的同时，还必须“节流”。要看到我国是幅员辽阔、人口众多的国家，应该养成节能的意识，采取节能的措施。例如，在工业、居民聚集地区采用高效大锅炉集中供热，可大量节约燃料，减少对环境的污染；新型建筑材料要考虑保温，使内能损失尽可能少；更应想方设法节约用电。
知能点2：能源分类
能源家族有以下种类：
⑴化石能源
我们今天使用的煤、石油和天然气，是千百万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，所以称为化石能源。
常见的化石能源有：煤、石油和天然气
⑵一次能源和二次能源
像化石能源一样，风能、太阳能、地热能以及核能，是可以直接从自然界获得的。这些可以从自然界直接获取的能源，统称为一次能源。我们使用的电能，无法从自然界直接获取，必须经过一次能源的消耗才能得到，所以称电能为二次能源
常见的一次能源有：煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能以及核能等。
常见的二次能源有：电能。
⑶生物质能
人类生活中，还广泛利用食物等生命物质中存储的化学能，这类由生命物质提供的能量称为生物质能。
⑷不可再生能源和可再生能源
化石能源、核能会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源。而水能、风能、太阳能、生物质能，可以在自然界里源源不断地得到，所以它们属于可再生能源。
常见的不可再生能源有：煤、石油、天然气、核能等。
常见的可再生能源有：风能、水能、太阳能、生物质能等。
知能点3：能源革命
⑴人类历史上三次能源革命各是什么？每次能源革命各有什么意义？
①钻木取火是人类在能量转化方面最早的一次技术革命。从利用自然火到利用人工火的转变，导致了以柴薪作为主要能源的时代的到来。这就是人类第一次能源革命。相对于当时的人口和当时的生产力，柴薪是一种数量巨大、能够方便获取的可再生能源。人类以柴薪为主要能源的时代，持续了近一万年。现在，柴薪仍是某些发展中国家的重要生活能源。
②蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑。人类从此逐步以机械动力大规模代替人力和畜力，它直接导致了第二次能源革命，人类的主要能源由柴薪向煤、石油和天然气等化石能源转化。从18世纪中叶开始的这次能源革命使人类文明在短短二百多年中发生了飞速进步。利用化石燃料的各种新型热机的问世和使用，使人类对化石能源的依赖日益加深。
③20世纪40年代，物理学家发明了可以控制核能释放的装置――反应堆，拉开了以核能为代表的第三次能源革命的序幕。几十年来，核电已经成为一种相当成熟的技术。由于核电比火电更清洁、安全、经济，核能在许多经济发达国家已经成为常规能源。
⑵电能有什么优点？
电能是由其他形式的能转化来的二次能源。它最终还要转化为光能、内能、机械能等其他形式的能，才能为人类所用。那么，为什么还要使用电能呢？因为电能便于输送和转化。现代社会离不开的各种各样的用电器，都是将电能转化为其他各种形式能量的转化器。
知能点4：21世纪的能源趋势
①人在生活、生产、学习、研究都离不开能源的消耗。由于世界人口的急剧增加和经济的不断发展，能源的消耗持续增长。特别是近三四十年来，能源的消耗增长速度明显加快。如果把全世界的能源消耗量折合成热值为2.93×107J/kg的标准煤来计算，1950年为26亿吨，1987年为110亿吨，2000年超过200亿吨。目前作为人类主要能源的化石能源，不可能取之不尽，用之不竭。所以，“化石能源危机”最终会出现。
②随着科学技术的发展和社会的进步，人类会开发出新的能源，解决“能源危机”。同学们不妨立志当一位未来新能源的探索者。
③在真正高效实用的新能源未开发应用前，节约能源仍十分重要。
知能点5：能源与环境
①各种能源对环境的污染
②人类在能源革命的进程中给自己带来了便利，也给自己造成了麻烦。目前石油、煤炭占了能源的绝大部分，而且年消耗量在不断增长。大量燃烧化石能源势必造成空气污染和温室效应的加剧。一些欠发达国家过分依靠柴薪能源，加剧了水土流失和沙漠化。
③人类不应当无限制地向大自然索取，我们必须在提升物质文明的同时，保持与自然、环境的和谐与平衡。
知能点6：未来理想能源
未来的理想能源要能够大规模替代石油、煤炭和天然气等常规能源。它必须满足以下几个条件：第一，必须足够丰富，可以保证长期使用；第二，足够便宜，可以保证多数人用得起；第三，相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；第四，必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境。
第三节　开发新能源
知能点1：太阳能
⑴太阳距地球一亿五千万千米，它的直径大约是地球的110倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，核心的温度高达一千五百万摄氏度。
⑵在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能。因此可以讲，太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，比原子弹爆炸的威力更大。
⑶太阳核心释放的能量向外扩散，经过数千年的时间传送到太阳表面，太阳表面温度约6000℃，就像一个高温气体组成的海洋。大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射开去。太阳这个巨大的“核能火炉”已经稳定地“燃烧”了50亿年。目前，它正处于壮年，要再过50亿年才会燃尽自己的核燃料。那时，它可能膨胀成为一个巨大的红色星体……
⑷以化石能源为例。煤、石油和天然气是地球给人类提供的最主要的一次能源。然而，这些化石燃料的“年龄”都有上亿年了。远古时期陆地和海洋中的植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物体的化学能。在它们死后，躯体埋在地下海底腐烂，沧海桑田，经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动，在高压下渐渐变成了煤和石油。在石油形成过程中还放出天然气。今天，我们开采化石燃料来获取能量，实际上是在开采上亿年前地示所接收的太阳能。
⑸太阳向外辐射的能量中，只有五亿分之一传递到地球，其中又只有不到一半被地球接收。太阳光已经照耀我们的地球50亿年了。地球在这50亿年中积累的太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。
⑹地球上的能量主要来自两个方面：一是地球内一些物质发生核反应时释放出来的能量，功率为3×1017W，另一方面来自于太阳，太阳内部原子核反应时释放出来的原子核能，功率约为4×1026W，辐射到地球上的功率约为8×1017W，其中5/8被云和海洋反射掉了。
太阳能是地球上能量最主要的来源。由太阳辐射的能量，使地面受热的功率约为7×1016W；使空气受热生风，转化为机械能的功率约为7×1016W；使水蒸发的功率约为2×1017W；使陆地植物发生光合作用的功率约为5×1013W；使海洋中的植物发生光合作用的功率约为4×1014W。这些植物一部分作为人类和动物的食物，其功率约为3×1011W；古代植物以煤、石油和天然气的形成储藏的能量约5×1022J，人类使用这些物质释放的功率约为4×1013W，其中用做化工原料的约1012W，转化为机械功率的不到3×1012W，用于火力发电站产生的电功率约为3×1011W。
水蒸发后变为水蒸气，水蒸气到高空后凝结成云和雨落下来，转化为水的动能，此能量的一部分被用于水力发电，发出的电功率约为3×1016W。
人类再把电能转化为机械能、内能、光能和化学能等来供给生产和生活上的需要。
⑺太阳能的四大优点：首先，太阳能十分巨大，仅一小时到达地球表面的太阳能，就比目前全世界一年能源生产的总量还多。其次，太阳能供应时间长久，据科学家推算，太阳像现在这样不停地进行核聚变，连续辐射能量，可维持60亿年以上，对于人类来说，太阳能几乎可以说是一种取之不尽，用之不竭的永久性能源。第三，太阳能分布广阔，获取方便，处处可以利用，既无需挖掘开采，也无需运输。第四，太阳能安全、清洁，开发利用太阳能不会给环境带来污染。所有这些，都促使人们对直接利用太阳能日益感兴趣。
那么怎样利用太阳能呢？
人类除了间接利用存贮在化石燃料中的太阳能外，还设法直接利用太阳能。目前直接利用太阳能的方式有两种：一种是将太阳能直接转化为内能而加以利用（用集热器把水等物质加热）；另一种是利用太阳能发电（用太阳能电池把太阳能转化为电能）。
知能点2：核能
⑴原子、原子核和核能
①一切物质由分子组成，分子又由原子组成。有些物质的分子就是一个原子，原子十分小，它的直径不到一个纳米。原子由质子、中子、电子三种粒子组成。质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电荷。质子和中子的质量比电子大得多，挤在一起处于原子中心，构成非常小的原子核，就像几颗豆粒挤在大广场中央一小块弹丸之地内。
②质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或重新组合是极其困难的。但是，一旦使原子核分裂或聚合，就可能释放出惊人的能量，这就是核能。
⑵裂变
1939年，科学家首次用中子轰击比较大的原子核，使其发生裂变。变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量。1kg铀全部裂变，释放的能量超过2000t煤完全燃烧时释放的能量。
⑶链式反应
①一个原子核分裂成两个或更多个较轻的原子核的反应叫做裂变。原子核在裂变时能够放出大量能量。一个铀核放出的能量是很小的，必须有大量核裂变，放出的能量才有实际利用价值。恰好，一个铀核在裂变时可以放出2－3个中子，它们又可以引起其他铀核的裂变，再放出几个中子，再引起裂变……这样，只要有一个核发生了裂变，就可以引起一连串的裂变。实现了链式反应，就能有大量的核发生裂变，放出可被利用的大量能量。
②快速的裂变反应可以引起猛烈的爆炸，原子弹就是利用快速裂变制成的，我们还可以控制链式反应的速度，把核能用于和平建设事业。“核反应堆”就是控制裂变反应的装置。
⑷聚变
除了裂变外，如果将质量很小的原子核，例如氘核（由一个质子和一个中子构成）与氚核（由一个质子和两个中子构成），在超高温下结合成新的原子核，会释放出更大的核能。这就是聚变。有时把聚变也称热核反应。
①大量氢核的聚变，可以在瞬间释放出惊人的能量。氢弹就是利用核聚变大批量制成的一种比原子弹威力更大的核武器。
②如何实现聚变，如何利用聚变释放的核能，科学家正在积极地探索着，海水中蕴藏着丰富的、可以实现聚变的氘核。科学家预言，通过可控制聚变来利用核能，有望彻底解决人类能源问题。
⑸核能的和平利用――核电站核
反应堆是产生核反应的装置，是核电站的核心。关键是利用特殊的吸收材料吸收中子，从而控制核裂变反应速度。核反应堆一般由铀棒、减速棒、控制棒、冷却剂、热交换器和屏蔽物（水泥）等组成。
它的基本原理是这样的：核材料在反应堆内部发生核反应产生热量；用石墨或其他材料制成的减速棒使核反应产生的中子减速以提高核裂变的效率；控制棒的下部为阻挡中子的材料，用来控制链式反应的速度，如果希望加快速度就把控制棒拉出来一点，希望降低反应速度则推进控制棒；冷却剂在反应堆中循环以将热量带入热交换器；水在热交换器中被加热成为蒸汽以输出用于推动汽轮机，再带动发电机发电。
知能点3：其他新能源
⑴地热能：是利用地球内部炽热的岩浆使地下水变成水蒸气从而发电的一种能量。
⑵潮汐能：是月球、太阳对地球的引力作用而产生的潮汐能。潮汐发电成本低、无污染，是一种很有发展潜力的新能源。
⑶风能：是利用空气高速流动带来的能量。