能源与可持续发展 课件 【教材精讲精研】 人教版新教材高中物理必修第三册

12.4能源与可持续发展

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（lawofenergyconservation）。一、能量转移或转化的方向性

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。1．热传导过程是有方向性的．热量从高温物体向低温物体的热传导过程能自发进行，而相反方向的过程不能自发进行．2．机械能全部转化为内能的过程能自发进行，而内能全部转化为机械能的过程不能自发进行．3．在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都遵守能量守恒定律．二、能源的分类与应用1．可再生能源：能够在短期内重新形成的或循环利用的能源．如太阳能、风能、水能、地热能等．2．不可再生能源：短期内不可以再次得到、一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源．如煤炭、石油、天然气等．

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4.158×107kW。

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3×108kW，约占全球水电装机总量的四分之一，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。三、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。（一）能源开发人类社会要发展，能源是必不可少的资源，但现有的煤、石油、天然气等化石燃料都是远古时期储存的太阳能，不可再生，不久的将来都要枯竭．同时，大量使用这类燃料对环境的破坏非常严重，所以迫切需要找到新的替代能源．现有条件下，可供利用的新能源主要有地热能、太阳能、海洋能、生物能等．

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