第8节能源的利用与开发

第八节 能源的利用与开发知识点及考查角度 系统学习知识点 1：能源及其分类知识解读：1在一定条件下能够提供可利用能量的物质资源叫能源按能源的利用可划分为一次能源和二次能源，一次能源按是否能再生可分为可再生能源(如太阳能、风能、水能等)和不可再生能源(如煤、石油、天然气等)(1)一次能源：能直接利用的能源，如煤、太阳能等(2)二次能源：从一次能源直接或间接转化而来的能源，如电能、氢能、焦炭等学科思想方法：分类思想方法。分类思想方法是根据研究对象的共同点和差异点将研究对象分为不同种类的逻辑方法。对物理学来说，大量的物理现象和过程具有各种各样的同一性和差异性。因此，需要以某种同一性作为标准，将对象归并为一类；在同一类中，又根据研究对象的差异性，划分为另一层次的较小类。这样就可以将物理现象与过程区分为有一定从属关系的不同等级系统，这就是物理学中的分类法。典例解读考查角度 1：能源的分类【例 1】油页岩是一种矿物，燃烧油页岩释放出大量的热量，油页岩属于（ ）A一次能源、不可再生能源 B一次能源、可再生能源C二次能源、不可再生能源 D二次能源、可再生能源审题：根据能源一次能源和二次能源和可再生能源和不可再生能源的概念对油页岩进行能源分类。解析：能源的分类方法按是否从自然界中直接获取来分：可分为一次能源和二次能源；按能否在自然界中得到补充来分：可分为可再生能源和不可再生能源。油页岩是一种矿物，可以从自然界中直接获取，为一次能源，燃烧后越用越少，为不可再生能源。故选 A。答案：A举一反三：1-1在下列能源中，属于化石能源的是（ ）A太阳能、地热能、风能 B煤、石油、天然气C核能、生物质能、水能 D电能、汽油、柴油答案：B点拨：化石能源指由古动物、植物遗体变化形成的能源，主要有煤、石油、天然气等，其特点是具有不可再生性，用完了就没有了，相对的是非化石能源，如风能、水能、太阳能、核能、地热能等，这些能源具有可再生性（核能除外）太阳能、地热能、风能是非化石能源,A 选项不合题意；煤、石油、天然气属于化石能源，B 选项符合题意；核能和水能属于非化石能源，C 选项不符合题意；电能是非化石能源，D 选项不符合题意故选 B举一反三：1-2对能源的分类有不同的方法，如可以将能源分为以下 3 类：第一类能源来自地球以外；第二类能源来自地球；第三类能源来自地球和其他天体的相互作用。人们已经利用的太阳能和核燃料分别属于（ ）A太阳能是第一类能源，核燃料是第二类能源B太阳能是第二类能源，核燃料是第三类能源C太阳能是第二类能源，核燃料是第一类能源D太阳能是第一类能源，核燃料是第三类能源答案：A点拨：要解答本题需掌握：能源的分类标准不同，所属的类别也不同，太阳能是地球以外的能源，所以属于第一类而核能是来自地球内部的能源，所以属于第二类。太阳能来自于地球以外，按这种分类方法应归属于第一类，核燃料（如铀）来自于地球，归属于第二类。考查角度 2：能量和能源【例 2】关于能量和能源，下列说法中正确的是()A由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源B在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少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审题：本题把握住以下两点：能量守恒定律具有普遍性；能源利用过程中能量转化的方向性。解析：自然界的总能量是守恒的，能量只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体，能量不可能被创造；在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，能量耗散使能量的利用品质降低了，能量转化具有方向性，因此要节约能源，故 B 正确，A、C、D 错误答案：B举一反三：2-1.下列说法中正确的是( )A.从甲物体自发传递热量给乙物体，说明甲物体的内能比乙物体多B.热机的效率从原理上讲可达 100%C.因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的D.以上说法均不正确错选：ABC错因分析：认为物体间传递热量的条件是物体的内能不相等，错选 A；没有认识到低温热源存在的必然性，认为没有摩擦时，热机的效率就是 100%,错选 B；没有认识到能量转移、转化的方向性，也就是能量的耗散性，错选 C.正解分析：自发热传递的条件是温度差，而不是内能的多少，故 A 错；任何热机都不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，所以任何热机的效率都不可能达到 100%，故 B 错；由于能源的利用是不可逆的，煤炭、石油等都是不可再生的能源，故 C 错；D 正确. 正解：选 D.举一反三：2-2.自行车、电动自行车、普通汽车消耗的能量分别是（ ）生物能 核能 电能 太阳能 化学能A BC D答案：B点拨：自行车运行是通过人消耗生物能对自行车做功，生物能转化为机械能；电动自行车是把电能转化为机械能；普通汽车是把化学能转化为机械能。知识点 2：能源危机与环境污染知识解读1能源危机：目前世界上消耗的能源主要是煤、石油、天然气等不可再生能源，按目前的消耗速度，煤可用 200 年左右，石油可用 40 年左右，天然气可用 60 年左右，而其他可再生能源还不能大规模应用，世界正面临能源危机2我国的能源危机：能源储量有限，人口众多，人均能源占有量和消费量均处于较低水平；经济增长和生活水平的提高，使能源消耗量急剧增加，目前我国能源消费总量已位居世界第二位3环境污染：大量使用煤、石油、天然气等化石能源给人类的生存环境带来了灾难，如温室效应、酸雨、臭氧层的破坏、城市热岛效应、土壤酸性化、生态平衡的破坏、海平面升高等(1)温室效应：温室效应加剧主要是由于现代化工业社会燃烧过多煤、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来因此，二氧化碳也被称为温室气体(2)酸雨污染：酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨(3)臭氧层的破坏：臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线对于大气臭氧层破坏的原因，科学家中间有多种见解但是大多数人认为，人类过多地使用氯氟烃类化学物质(用 CFCs 表示 )是破坏臭氧层的主要原因氯氟烃是一种人造化学物质， 1930 年由美国的杜邦公司投入生产在第二次世界大战后，尤其是进入1960年以后，开始大量使用，主要用作气溶胶、制冷剂、发泡剂、化工溶剂等另外，哈龙类物质(用于灭火器)、氮氧化物也会造成臭氧层的损耗(4)城市热岛效应：城市热岛效应是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象城市热岛效应形成的原因：城市内拥有大量锅炉、加热器等耗能装置以及各种机动车辆这些机器和人类生活活动都消耗大量能量，大部分以热能形式传给城市大气空间城区大量的建筑物和道路构成以砖石、水泥和沥青等材料为主的下垫层，这些材料热容量、导热率比郊区自然界的下垫层要大得多，而对太阳光的反射率低、吸收率大；因此在白天，城市下垫层表面温度远远高于气温，其中沥青路面和屋顶温度可高出气温 8 17 .此时下垫层的热量主要以湍流形式传导，推动周围大气上升流动，形成“涌泉风”，并使城区气温升高；在夜间城市下垫层主要通过长波辐射，使近地面大气层温度上升4能源稀缺：虽然能量是守恒的、不可能消灭的，但我们仍然要节约能源因为自然界中能量的转化过程具有一定的方向性，能成为能源的很少典例解读考查角度1：能源与环境保护【例3】二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气以后被二氧化碳截获，最后使大气增温大气中的二氧化碳和暖房的玻璃一样，只让太阳的热辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，二氧化碳的这种效应叫温室效应，这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是( ）A在地球形成的早期，火山活动频繁，排出了大量的二氧化碳气体，当时地球的气温很高B二氧化碳是空气的组成成分，人们可以放心大胆地使用煤、石油、天然气等化石能源，不会对环境造成任何影响C由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高D气候变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，地球上的气温正在升高解析：空气中的二氧化碳气体，可以让太阳光热辐射进入地球大气层，而会阻止地球自身的长波热辐射离开地球，这样会造成地球上的温度升高，由此可知，A、C 选项正确答案：AC举一反三：3能源短缺和环境恶化指的是（ ）A煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺B煤炭和石油资源是有限的，以今天开采和消耗的速度，石油储量将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺C煤炭和石油具有大量的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚存在空气中污染空气，使环境恶化D大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染空气，改变了空气成分使环境恶化答案：BD点拨：能源短缺不是开采技术问题，而是存储量少的问题，故 A 错误，B 正确；环境污染主要是来源于燃料的燃烧产生大量的有害气体污染空气，故 C 错误，D 正确知识点 3：能源的开发知识解读1能源的利用2未来的能源(1)节约能源，开发可替代煤、石油、天然气等常规能源的新能源研究清洁能源是缓解当前能源危机及保护和改善人类环境的有效措施(2)现在人类正致力于开发核能、风能、太阳能、地热能、生物能、海洋能、氢能等新能源3.新能源的优点一些新能源在人们的生活中得到广泛应用,如太阳能、风能、水能等,它们不污染环境,为清洁能源,而且它们的资源是丰富的.新型能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染.典例解读考查角度 1：新能源的认识【例 4】下列能源中，属于新能源的是哪一组（）A电能、水能、风能B太阳能、地热能、核能C液化气、沼气、酒精D石油、天然气、煤解析：水能、风能是新能源，但是电能不是新能源，是二次能源故 A 错误、太阳能、地热能、核能都是新能源故 B 正确液化气、沼气、酒精，这些都属于二次能源故 C 错误石油、天然气、煤都不是新能源，属于不可再生能源故 D 错误答案：B规律总结：人类开发利用的新能源有太阳能、地热能、核能、潮汐能、风能等。举一反三：4-1下列能源属于常规能源的是 ( )煤 核能 太阳能 石油A BC D答案：D点拨：常规能源是指埋在地下的动植物经过数亿年的地质演变而形成的煤、石油、天然气等太阳能和核能属于新能源举一反三：4-2下列关于太阳能的说法中错误的是 ( ）A.太阳能十分巨大，供应时间长久B.太阳能分布广阔，处处可以利用C.太阳能到达地面的功率稳定，不会受气候和季节的影响D.太阳能也会造成环境污染答案：CD点拨：太阳能在不同的天气和季节，到达地面的功率是不一样的，太阳能不会造成污染考查角度 2：能源利用的计算【例 5】水能是可再生能源，可持续地利用它来发电，为人类提供“清洁”的能源若一水力发电站水库的平均流量为 Q m3/s，落差为 h m，发电效率为 ，则全年发电量 A 是多少千瓦时？(取 g10 m/s 2)解析：水的重力势能转化为电能，且转换效率为 ，由能量守恒定律得该水电站发电功率为则全年发电量为 APT 104Qh24365 Wh 8.76104Qh kWh.答案：8.76104QhkWh举一反三：5-1。(2013 杭州高一检测 )某中学“STS”小组对开发和利用水资源进行研究，同学们认为在放自来水时，水的机械能没有得到利用而白白浪费于是他们在老师的指导下经过研制，在水龙头处安装了一只小型水轮发电机，当放水时水的机械能转化为电能设小型水轮发电机的效率为 40 %，水塔内的水面高于水龙头 10 m，且保持不变当水龙头放出一吨水时，小型水轮发电机所产生的电能为()A4 000 JB98 000 JC588 000 J D392 00 J答案：D点拨：一吨水从高为 10 m 的水塔内落下，Emgh 40 %1 0009.810 J3.9210 4 J因此选项 D 正确，其他选项均错举一反三：5-2.（2006，江苏高考）沙河抽水蓄能电站自 2003 年投入运行以来，在缓解用电高峰电力紧张方面，取得了良好的社会效益和经济效益抽水蓄能电站的工作原理是，在用电低谷时（如深夜），电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的水发电如图 4-3-12，蓄水池（上游水库）可视为长方体，有效总库容量（可用于发电）为 V，蓄水后水位高出下游水面H，发电过程中上游水库水位最大落差为 d.统计资料表明，该电站年抽水用电为 2.4108kwh，年发电量为 1.8108KWh.则下列计算结果正确的是（水的密度为 ，重力加速度为 g，涉及重力势能的计算均以下游水面为零势能面）（）A能用于发电的水最大重力势能 EpVgHB能用于发电的水的最大重力势能 EpVg（H ）d2C电站的总效率达 75%D该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电（电功率为 105KW 计）约 10h答案：BC解：因用于发电的上游水库中水的重心距下游水面的高度为 H ，所以用于发电的水的最大重力势d2能 Ep Vg（H ）故 A 项错误，B 项正确；电站的总效率： 100%75% 。故 C 项d2 1.8108kWh2.4108kWh正确；由 WP t，则 t 1.810 3h，故 D 项错误。1.8108kWh105kW综合 应用 探究 培优拔尖典例解读拔尖角度 1：新能源的开发和利用培优精析：常规能源的短缺和使用常规能源带来的环境污染使得新能源的开发成为当务之。新能源，在释放能量或能量转化过程中对环境不造成污染，人类可开发和利用的新能源主要有下列几种：（1） 风能；（2） 水（河流、潮汐）能；（3）太阳能；（4）热核能；（5） 氢能源；（6）生物质能。 风能、水能、太阳能等是清洁能源，也叫绿色能源。以新能源的利用为背景命题，考查同学们运用学科知识，分析和解决实际问题的综合能力。在平时应关注现实生产、生活中的实际问题，尝试用学到的知识去分析解释它，对一些疑难点，可与同学一起讨论，或者请教老师，也可以通过阅读相关科普资料来拓展自己的知识面。【例 6】太阳能是 21 世纪重点发展的能源之一太阳能汽车是利用太阳能电池将接收到的太阳能转化为电能，再利用电动机来驱动汽车的一种新型汽车如图 437 所示的是一辆太阳能实验车，车上太阳能电池接受太阳能的面板的有效面积为 S8 m2，太阳光照射到电池板每平方米面积上的辐射功率为P01 kW. 在晴朗天气，电池对着太阳时产生的电压为 U 120 V，并对车上的电动机提供 10 A 的电流试问：(1)该太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是多少？(2)如果这辆汽车的电动机将电能最终转化为机械能的效率为 80 %，则汽车在水平路面上以 6 m/s 的速度匀速行驶时，电动机提供的牵引力是多大？解析：(1)对于太阳能电池有：P 有用 P 电 IU10120 W1 200 W.P 总 P 0S1 0008 W 8 000 W ，故转化效率 1 15 %.P有 用P总 1 2008 000(2)对于电动机有：F N160 NP电 2v 1 2000.806答案：(1)15 %(2)160 N教你一招：在解决以新能源的开发和利用为背景的问题时，要注意认真读题、审题，从题目中获取信息。链接高考：1(2013深圳高一检测) 如图所示是利用潮汐发电的示意图，左方为陆地和海湾，中间为水坝，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，如图甲潮落至最低时放水发电，如图乙待内外水面高度相同，再堵住通道，直至下次涨潮到最高点，又放水发电，如图丙设海湾面积为 S5.010 8m2，高潮与低潮间高度差为 h3.0m ，求一天内水流的平均功率(g 取 10 m/s2)甲乙丙解析：潮汐发电的实质就是将海水的重力势能转化为电能每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾) 的海水的质量为 mVSh 1.01035.01083 kg1.510 12kg.其重心的高度变化为 hh/2 1.5 m.一天内海水两进两出，故水流功率为P W1.010 9 W4mght 41.51012101.5243 600即 P1 000 MW.答案：1 000 MW基础演练提升训练拓展巧练A 组：学业水平训练1.我国是世界上的产煤大国，煤的储量很大，直至现在，煤在我国仍作为第一能源，煤炭中的能量从根本上来源于（ ）地热与地压的作用 通过光合作用储存的太阳能细菌的分解和侵蚀作用 地球与其他天体的相互作用答案：B点拨：除了核能、地热能，其他一切能量都直接或间接来源于太阳能。煤、石油、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称之为化石燃料古代的太阳能被植物吸收后发生光合作用而转化为化学能，这些蕴含着化学能的动植物体在漫长的地质变迁过程中形成了煤因此可以说煤具有的化学能来自于古代的太阳能故选 B2.节约能源的重要意义在于（ ）A可提高经济效益，降低成本 B能暂缓能源紧张的局面C提高能源的利用率 D可减少对化石燃料的开采答案：ABC点拨：从：环节能源紧张、提高经济效益、提高能源的利用率、促进社会持续发展、保护环境等方面分析节约能源可以：可提高经济效益，降低成本；能暂缓能源紧张局面；可提高能源的利用率减少对化石燃料的开采与节约能源无直接关系故选 ABC3.关于能源的开发和利用，下列观点中不正确的是（ ）A.能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为B.根据能量守恒，能源是取之不尽、用之不竭的C.能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的保护D.不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径答案：B点拨：人类主要是利用化石能源，是不可再生能源。我国人口众多，能源需求量巨大，能源利用率低。清醒认识到这一点，即可做出选择。自然界中的能量虽然是守恒的，但能量的转化和转移具有方向性，所以能源不可能是取之不尽、用之不竭的.故 B 错误，选 B。4.我国目前使用的能源中所占比重最大的是下面的哪组（ ）A水能和地热能 煤和石油核能和潮汐能 太阳能答案：B点拨：现在我们使用较广泛的能源有煤炭、石油和天然气等，称为化石能源，化石燃料仍占我国目前利用的能源的 80%以上，水能和地热能、核能和潮汐能、太阳能等新能源所占比例不大，但都是朝阳产业。故选。5. 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.污染环境的能源答案：C点拨：煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物资源是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射.C 正确，A、B、D 错误.6.下列说法中不正确的是( )A.水流能和风能都是“可再生能源”B.太阳能是一种清洁能源C.沼气是一种新能源D.核能若对环境产生污染，短期内便可消除答案：D点拨：水流能和风能都能再生，A 正确.太阳能属于清洁能源，B 正确.沼气属于新能源，C 正确.核污染一但发生，将长期存在，D 错误.7. 如果每人年节约用电 1 千瓦时，那么，全国按 12 亿人口计算节约用电相当于多少吨标准煤燃烧释放的能量？（标准煤热值为 2.93107 J/kg）1.47105 t解析：本题要求相当于多少吨标准煤燃烧释放的能量，先要求出 12 亿人全年总共节约的电能，然后代入公式，利用 Q 放 =mq 即可轻松求解。因 1KWh=1103W3600s=3.6106J所以全国 12 亿人每年共节约电能： W=3.6106J1.2109=4.321015J由 Q 放 =mq，得： 1.47108kg=1.47105T答案：1.4710 5TB 组：高考水平训练8.下列供热方式中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.用太阳能供热答案：D点拨：煤、石油、天然气等燃料的利用,使人类获得大量的内能,但这些燃料中含有杂质以及燃烧得不充分,使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫等污染大气的物质,而太阳能是一种无污染的能源,应大力推广,D 正确.9.二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气以后被二氧化碳截获，最后使大气升温。大气中的二氧化碳像暖房的玻璃一样，只准太阳的热辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应。这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是( )A、在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高B、经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命C、由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高D、现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，是电能和其他形式的能转化为内能答案：ABC点拨：本题的观点是二氧化碳的温室效应。地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律。由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，这是必然的现象，进而导致当时地球的气温很高。由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使地球上的岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了生