高中物理 第6章 能源与可持续发展 第2节 能源的开发与环境保护知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用） 11页

第 2 节 能源的开发与环境保护 思维激活 1.图 6-1-1 是锅炉工作时的外景，从节约能源和环境保护角度来看，分析存在的主 要问题是什么. 图 6-1-1 提示：由图中的浓烟滚滚，可以发现存在的主要问题有两个，一是燃料燃烧不充分， 且烟气带走大量的热量，造成能量损失；二是造成大气污染. 2.能量在被利用过程中总存在一定的损失，不可能 100%地被利用，如现在大量使用 在汽车中的内燃机，效率不超过 30%，也就是说，由燃烧而产生的内能，转化为有 用的机械能的总量不超过 30%.煤炭的开采会造成耕地减少和水资源污染，煤炭的不 当使用还会对空气和环境造成严重污染.例如，酸雨已毁灭了大片的森林，温室效应 将在全球范围内对气候、海洋、农业、林业、生态平衡和人类健康等方面带来巨大 的影响.由能源问题带来的环境问题已成为全球广为关注的焦点之一.人类要一代一 代继续生存下去，我们今天所做的任何一项重大决定，都要考虑到既能满足当代人 的需求，又不给子孙留下后患，这才是真正负责的态度.随着人们对社会发展、全球 环境等问题认识的加深，可持续的能源生产和消费，已成为人类社会可持续发展的 重要前提之一. 看了这则材料你作何感想？ 图 6-1-2 佛罗里达州被酸雨毁坏的森林 提示：伴随着能源的大量消耗，不知不觉中已经给我们赖以生存的环境造成了严重 的破坏.发展的需求与环境问题的矛盾让人们产生了深深的忧虑与困惑.能源问题对 社会发展和人类的居住环境影响巨大，我们要注意节约能源，开发利用新能源. 自主整理 1.各种能源 人类从自然界中直接获得的能源，如煤、石油、天然气、水力、核燃料、太阳能、 生物质能、地热能等，称为___________能源.二次能源是一次能源经过加工转换成 的另一种形态的能源，主要有___________、___________、___________、蒸汽及汽 油、柴油等.生产过程中排出的余热也属于___________能源. 2.环境与人类生存 地球环境中的___________、___________、___________和___________是构成人类 生存环境的基本因素. 3.能源与生活 家庭生活中消耗的能量主要用于照明、制作食物、供暖、制冷、文化生活等.交通工 具消耗的能源主要是___________或___________. 4.常规能源的开发 ___________、___________、___________叫做常规能源. 5.常规能源的开发与环境保护 常规能源的大量消耗带来了环境问题: （1）温室效应：温室效应是由于大气里温室气体（二氧化碳、甲烷等）___________ 而形成的.石油和煤炭燃烧时产生二氧化碳. （2）酸雨：大气中的___________物质，如二氧化硫、氮氧化物等，在降水过程中 溶入雨水，成为酸雨.煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质. 另外,常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染. 常规能源的大量消耗所带来的环境污染既损害人体健康，又影响动植物的生长，破 坏经济资源，损坏建筑物及文物古迹，严重时可改变大气的性质，使生态环境受到 伤害. 6.可再生能源的开发 ___________ 是 利 用 最 广 泛 的 可 再 生 能 源 . 风 可 以 用 来 ___________ ， 风 的 ___________可间接转变为电能或其他形式的能. 高手笔记 1.能源是提供可利用能量的物质资源或者自然过程.人类利用能源的历史，也就是人 类认识自然、利用自然的历史.人类利用能源的历史可分为 5 个阶段：火的发现和利 用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；化石燃料的开发和利用；电的发现和开 发利用；核能的发现和开发利用. 2.常规能源如煤、石油、天然气等又叫化石能源，是远古的动植物死亡后，经过数 亿年的地质变迁而形成的，属于一次能源.随着生产力的迅速发展，能源消耗也急剧 增长，研究人员估计：按照目前的石油开采速度，地球上的石油储藏将在几十年内 采完，煤的储量稍多一些，但也将在二百多年的时间内被采完，所以，常规能源也 不是取之不尽、用之不竭的.由煤、石油生产的电能属于二次能源，电能已经成了推 动社会经济发展的不可或缺的部分，无法想象，没有了电能，人类社会会变成什么 模样. 常规能源的利用对社会环境造成了极大的污染，过量 CO2 的排放给全球造成了温室 效应，使全球气候变暖；SO2、氮氧化物在空气中的含量增加造成了酸雨、酸雪等， 污染湖泊、破坏森林、农作物.使用这些能源的器械工作时发出的声音造成严重的噪 声污染. 常规能源的短缺和由这类能源利用所带来的环境污染，使得新能源的开发成为当务 之急，现已开发利用的新能源有风能、水流动时的机械能、太阳能、沼气、核能等. 水流能、风能是可再生能源；石油、煤炭等能源物质，如果消耗完了就没有了，是 不可再生能源；太阳能的利用不污染环境，它是一种清洁能源. 名师解惑 1.能源的分类 剖析： 能源分类方 能 源 分 类 名 特点 举例 法 称 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、水能 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 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.新能源的开发和利用 剖析：（1）新能源主要指太阳能、风能、生物质能等.这些能源一是取之不尽、用 之不竭，二是不会污染环境等等. 太阳能是同学们比较熟悉的，在人们的生活中得到了广泛的应用，在高科技方面也 有应用，如人造卫星上的太阳能电池，像这样不污染环境的能源称为清洁能源，如 太阳能、风能、水能、沼气等. （2）提高能源利用效率的新技术 目前主要有：开发能量转换新技术，使利用效率从 25%—30%提高到 55%—75%；煤的 洁净利用技术，如制煤浆技术等；先进的发电技术（包括发电技术装置、电机冷却 技术、余热利用技术、输电技术、能源管理等）. 3.能源对环境的影响 剖析：（1）常规能源对环境的影响 石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”， 引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升、海水倒灌、耕地盐碱化…… 这些都是自然对人类的报复. （2）做好环境保护工作 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. 讲练互动 【例 1】 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. 这种大气中以 CO2 为主的气体产生的效应称为（ ） A．光热效应 B．光电效应 C．光气效应 D．温室 效应 解析：CO2 气体具有很强的吸收红外热辐射作用，使全球的气候变暖，这样的效应称 为温室效应，故选 D. 答案：D 绿色通道 解此类题应注意题中所提供的信息，筛选有效信息，综合讨论得出最佳答案.本题中 主要说明 CO2 的特性及由此产生的温室效应. 变式训练 1．关于“温室效应”，下列说法正确的是（ ） ①太阳能源源不断地辐射到地球上，地球上产生了“温室效应” ②石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了 “温室效应” ③“温室效应”使得地面气温上升，两极冰雪融化 ④“温室效应”使得土壤酸化 A.①② B.②③ C.③④ D.①④ 答案：B 【例 2】 据《中国环境报》报道：一份科技攻关课题研究结果显示，我国酸雨区已 占国土面积的 40%以上.研究结果还表明，我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损 失高达 15 亿元.为了有效控制酸雨，目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污 染控制区划分方案》等法规. （1）在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可有效地降低地面 SO2 浓度，在 20 世纪的 60—70 年代的 10 年间，由发电厂排放的 SO2 增加了 35%，但由于建造高烟囱 的结果，地面浓度降低了 30%之多.请你从全球环境保护的角度，分析这种做法是否 可 取 . 说 明 理 由 ： ________________________________________________________________________ _______. （2）用传统煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油作燃料相比， 哪种物质可以作为新能源？主要优点是什么？缺点又是什么？ ________________________________________________________________________ _______. 解析：减少酸雨的产生是要杜绝污染源，而不是建造高烟囱转移污染，而杜绝酸雨 污染的途径一般有三个：一是对煤、石油等传统能源进行处理，使其在燃烧过程中 不产生 SO2；二是对污染物 SO2 进行回收利用；三是开辟新能源.而目前最理想的能 源为氢能源，因为它原料来源丰富，燃烧的产物又是水，既不污染环境，又可以循 环利用. 答案：（1）不可取，因为 SO2 的排放总量并没有减少，进一步形成的酸雨仍会造成 对全球的危害. （2）煤、石油是不易再生的化工燃料，其资源是有限的，其次，燃烧后产生的 SO2、 NOx 等严重地污染大气，进而形成酸雨，燃烧后产生的 CO2 又会造成温室效应. 第一，H2 可以用水作为原料来制取；第二，H2 燃烧时放热多，放出的热量约为同质 量汽油的 3 倍；第三，氢燃料的最大优点是燃料产物为水，不易污染环境，还可循 环使用. 绿色通道 本题涉及能源、环保等社会热点问题，我们要从化学视角去关注这些与生态环境、 人们的健康密切相关的问题.环境污染的恶果是直接影响人类的延续和发展，酸雨是 影响全球的问题. 变式训练 2．下列供热方式最有利于环境保护的是（ ） A.用煤作燃料供热 B.用石油作燃料供热 C.用天然气或煤气作燃料供热 D.用太阳能灶供热 答案：D 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，故答案应选 D. 【例 3】下面是晓阳在题为《能源的利用和节约能源》的研究性学习中收集到的有 关太阳能的资料： 太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿 命一样长，当太阳光照射地面时，1 m2 地面上在 1 s 内平均得到的太阳辐射能约为 1.0×103 J.太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐出现在我们的 生活中. 晓阳在网上下载到了某型号太阳能热水器的宣传广告： 容积（V） 100 L 集热管的采光面积（S） 1.5 m2 效率（η） 40% 使用年限（z） 15 年 （1）晓阳家每天大约需要 100 kg 热水，用这种热水器将这些水从 25 ℃加热到 45 ℃ 需要多长时间？ （2）与效率为 80%的电热水器相比，晓阳家每天可节约多少电能？ 解析：（1）设 T 为光照时间，k=1.0×103 J/(s·m2) Q 吸=cm(t-t0)=4.2×103×100×20 J=8.4×106 J 太阳能热水器传给水的热量 Q 放=kSTη 因为 Q 吸=Q 放，所以 T= %405.1100.1 104.8 3 6  kS Q放 s=1.4×104 s≈3.9 h. （2）由 Q 电=Wη1 得 W= JQ 8.0 104.8 6 1  电 =1.05×107 J≈2.9 kW·h. 答案：（1）3.9 h (2)2.9 kW·h 绿色通道 解决此题的关键是读懂题意，从题中所提供的信息中筛选有效信息，注意能量间转 化的效率，代入公式计算时要统一国际单位制，最后再转化为人们常用的单位. 变式训练 3．一水电站，水流的落差为 20 m,水流冲击水轮发电机后，水流能的 20%转化为电 能，若发电机的功率为 200 kW，则每分钟流下的水量是____________m3.（取 g=10 m/s2) 解析：每分钟发电机发出的电能 E=Pt=200×103 W×60 s=1.2×107 J 每分钟流经发电机的水流能 E0×20%=E,又因为ρghQ=E0,可得 Q=300 m3. 答案：300 体验探究 【问题 1】大气层除了给生物体提供了生长发育的良好环境，它还具有哪些重要的 作用？ 导思：地球大气是人类生存的重要保证.可以从以下几个方面进行阐述：大气层的温 室效应提供了生物呼吸所必需的氧气、臭氧层对紫外线的吸引、大气层还是地球的 盔甲. 探究:李龙：地球的大气层吸收和反射了一部分太阳光，只让一定量的阳光透过，并 能把这部分热量保留在地球表面附近，使地球保持着适合万物生存的温度. 张芳：防止外来物侵害 假设没有大气，从天而降的陨石将成为家常便饭，会给地球造成极大毁坏.正是由于 大气圈的保护，高速冲来的陨石因与大气剧烈摩擦，减慢了速度，并因摩擦产生的 高温影响，绝大部分陨石在一百多千米的高空就化为灰尘和气体，只有极少数到达 地面，而且已是强弩之末，一般不会造成什么危害了. 胡同明：防紫外辐射 从天外向地球袭来的还有强烈的紫外线.假设没有大气，过多的紫外线将使地球上的 生命无法生存，现在大气圈保护了我们.在大气圈中离开海面 20～35 km 这一带含臭 氧较多，所谓较多，也不过占到四百分之一左右，但这点臭氧已足以使大量紫外线 被吸收，才使得地球上各种生物免受过多的紫外线伤害；剩下少量的到达地面，对 我们来说有杀菌防病作用，反而变得无害而有益了. 雨阳：防止宇宙射线 那些极其稀薄的被地磁场所控制的带电粒子组成的高层大气，也有保护地球的作用， 它能使宇宙中那些高速冲向地球的粒子流偏转方向. 探究结论： 大气圈就是这样层层叠叠，看起来仿佛空若无物，实际上是壁垒森严，将地球重重 包住，岂止是面纱，简直是屏障，是铜墙铁壁，对地球起着重要的保护作用. 【问题 2】未来理想能源所具备的条件是什么？ 导思：要找到未来理想能源，主要考虑现有常规能源的缺点，即现有的常规能源的 不可再生，使用常规能源对环境的污染太大，价格昂贵，对人类健康影响太大，分 散性大，不能合理调配等，这些缺点使得我们不得不寻找新的理想能源. 探究: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，必须足够便宜， 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. 同学们，你们的责任重大，希望你们成为未来理想的探索者，为人类的文明作出自 己的贡献！ 教材链接 1.教材 P102《讨论与交流》 水能主要指有落差的水所具有的能量（图 6-1-3），那么，太阳能是如何转化为水 能的呢？试提出自己的观点，并与同学讨论交流. 图 6-1-3 水能是人类可以利用的能源之一 答：在阳光的照射下，海洋、湖泊和溪流蒸发的水及陆地上植物蒸发的水上升凝结 成云，然后又以雨或雪等形式降落，落到高山上的水落下时具有一定的动能. 2.教材 P106《讨论与交流》 实验表明，完全燃烧 1 L 汽油释放出来的热量大约为 34 MJ.如果汽车耗油量为 0.1 L/km，在高速公路上速度约为 80 km/h，试估计一辆普通小汽车在高速公路上匀速 行驶时，每小时消耗的汽油量及这些汽油释放的热量.如果把这些能量供给一只 100 W 的灯泡，可以使用多长时间？ 答：V=80×0.1 L=8 L Q=8×34×106 J=2.72×108 J t= s100 1072.2 8 =2.72×106 s=755 h.