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

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.
的排放给全球造成了温室常规能源的利用对社会环境造成了极大的污染，过量CO
2
效应，使全球气候变暖；SO
、氮氧化物在空气中的含量增加造成了酸雨、酸雪等，
2
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：
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】 CO
2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO
2
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CO
2
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：CO
2
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CO
2
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SO
2
浓度，在20
世纪的60—70年代的10年间，由发电厂排放的SO
2
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SO
2；二是对污染物SO
2
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SO
2
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SO
2
、
NO
x 等严重地污染大气，进而形成酸雨，燃烧后产生的CO
2
又会造成温室效应.
第一，H
2可以用水作为原料来制取；第二，H
2
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1.0×103J.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：
（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·m 2)
Q 吸=cm(t-t 0)=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=%405.1100.1104.836
⨯⨯⨯⨯=ηkS Q 放s=1.4×104 s≈3.9 h. （2）由Q 电=Wη1得
W=J Q 8
.0104.86
1⨯=η电
=1.05×107 J≈2.9 kW·h. 答案：（1）3.9 h (2)2.9 kW·h
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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____________m 3.（取g=10 m/s 2)
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E 0×20%=E,又因为ρghQ=E 0,可得Q=300 m 3.
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=8×34×106J=2.72×108 J
10
.28
72
t=s
=2.72×106 s=755 h.
100。