物理学与能源技术 知识讲解

物理学与能源技术

责编：武霞

【学习目标】

1．认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化；

2．知道能量守恒定律。能举出日常生活中能量守恒的实例；

3．通过能量的转化和转移，了解在现实生活中能量的转化与转移有一定的方向性，认识效率；

4. 知道哪些是一次能源、二次能源；了解什么是不可再生能源，什么是可再生能源；

5. 记住核能的转变及利用，知道核反应堆与核电站，了解放射性的应用与保护；

6.认识能源利用对环境的影响，知道新能源的开发和利用。

【要点梳理】

要点一、能量的转化和守恒

1.能量、能量的相互转化：

（1）常见的能量有机械能、内能、电能、光能等。

（2）不同形式的能在一定的条件下可以相互转化。

（3）从能量利用和转化角度来讲，现代化的生活就是以电能为中心的能量转化和利用的过程。

2.能量守恒定律：

（1）能量既不能创造，也不会消灭；当能量从一个物体转移到其他物体或从一种形式转化为其他形式时，总量不变。这称为能量守恒定律。

（2）永动机的失败，从反面证明了能量守恒定律的正确性。

要点诠释：

1.自然界中存在各种形式的能量，不同形式的能量直接是可以相互转化的。为了便于能量的传递、输送我们利用最广泛的能量是电能。

2.定律中能的转化，是指通过做功，能的形式发生了变化，一种形式的能转化为另一种形式的能。如钻木取火，就是通过克服摩擦做功，使机械能转化为内能。能的转移，是指同一种能从一个物体转移到另一个物体上，能的形式没有变化，如热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体。

要点二、能量转化的方向性和效率

1.能量转化具有方向性：

（1）在能量的转化和转移过程中，某个过程中涉及了热量，能量的转化（和转移）就将是“覆水难收”，无法自发地沿反方向发生，除非消耗额外的能量提高帮助。

（2）能量虽然是守恒的，但是我们还要节约能源，是因为每一次能量的利用，都会减小这个世界上可利用、便于利用的能量的总量。

2.能量转化中的效率：

（1）输入能量=输出有效能量+输出无效能量

（2）能量转化效率：η=输出有效能量输入能量

要点诠释：

在能量利用的过程中，能量损耗都不可避免，所以η都小于1。提高能量利用中的转化效率是节能问题的核心。

要点三、能源

1.能源的分类：

（1）能源：能量的来源，是指能为人类提供某种形式能量的物质资源。

（2）一次能源：从自然界直接取得，而不改变其基本形态的能源，如：煤、石油、天然气等，有时也称为初级能源。

（3）二次能源：是一次能源经过加工，转换成另一种形态的能源，如电力、蒸汽、焦炭等。

（4）常规能源：指当前被广泛利用的一次能源。

（5）新能源：目前尚未广泛利用而正在积极研究以便推广的一次能源。

（6）不可再生能源：必须经地质年代（亿万年）才能形成而短期内无法再生的一次能源，如煤、石油、核燃料等。

（7）可再生能源：是能够不断得到补充以供使用的一次能源，如水力、太阳能、生物质能、地热能、风能、潮汐能等。

2.世界能源储量及需求：

（1）传统能源储量的有限性与需求量的逐年增加是当今世界面临的能源问题的核心。

（2）研究开发新能源，以减少对传统能源的依赖程度，是世界各国面临的重要任务。

要点四、核能

1.原子核核能：

（1）原子核是由质子和中子组成的，它们通过一种叫做“核力”的相互作用紧密地结合在一起。

（2）重核裂变或轻核聚变，将释放出巨大的能量，这就是核能，也就是人们常说的原子能。

2.核裂变能及其利用：

（1）裂变：重原子核分裂成较轻的原子核，叫做核裂变。

（2）链式反应：一个中子轰击一个铀核引起铀核裂变并释放能量的同时，还释放出2~3个中子，如果释放的中子再引起其他铀核裂变，就使反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。

（3）核反应堆：是一种能够控制链式反应的装置。

（4）核电站：利用核反应堆工作时释放的能量使水汽化，推动蒸汽轮机带动发电机发电。

3.核聚变：

（1）聚变：轻原子核结合成较重的原子核，也会释放出核能，这种核反应叫做聚变。

（2）热核反应：在超高温下轻核结合成新的原子核，会释放出更大的核能，这就是聚变，有时聚变也称为热核反应。

要点诠释：

1.用于核反应的原料（如铀235），是具有强烈的放射性的物质，能够发出射线。这些射线对人体健康造成严重伤害。

2.核废料也有很强的放射性，目前一般都将其放入特制的容器内深埋封存，待以后研究出有效办法再做处理。

3.在消耗相同核燃料的情况下，核聚变比核裂变放出的能量大得多。氢弹就是根据核聚变原理制成的，它的威力比原子弹大得多。

要点五、能源开发与可持续发展

1.能源利用中的问题及相应对策：

（1）传统能源煤、石油、天然气随着不断开采会逐渐枯竭，人们称为能源危机。

（2）能源利用中硫化物、碳氧化物和粉尘的大量排放对环境及生态造成破坏。

（3）由于突发事件引起的能源的短缺或能量供应的中断，这称为能源利用的安全问题。

2.新能源的开发与利用：

（1）核能的开发与利用。

（2）太阳能的开发与利用。

（3）地热能的开发与利用。

（4）其他新能源的开发与利用。

【典型例题】

类型一、基础知识

1、下列能源：太阳能、风能、煤气、汽油，那些是属于一次能源的是。

【思路点拨】直接从自然界得到的能源叫一次能源；通过一次能源的消耗才能得到的能源叫二次能源。【答案】太阳能；风能

【解析】太阳能、风能是直接从自然界获得的，故是一次能源；煤气、汽油是天然气和石油加工而来的，故是二次能源。

【总结升华】此题考查的是一次能源和二次能源的辨别，是基础题。

2、随着人们对原子核结构认识的不断深入，核能的开发和利用备受关注，有关核能的理解，正确的是（）

A．核能是可再生的清洁能源

B．太阳能是由氢原子裂变放出的能量

C．能源开发就是要利用核能

D．核能是原子核发生变化时放出的能量

【答案】D

【解析】A、核能源于核矿石内的能量，核矿石属于矿产资源，而矿产资源属于非可再生资源，所以它是不可再生能源，该选项错误；

B、太阳能是在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出的巨大核能，该选项错误；

C、能源的开发是开发利用新能源如风能、太阳能等无污染的清洁能源，该选项错误；

D、核能是原子核聚变或裂变产生的能量，该选项正确。

【总结升华】能源危机是石油、电力或其他自然资源的短缺，是全球性问题，开发利用新能源是解决问题的根本途径。

举一反三：

【变式】原子弹与核电站的根本区别是（）

Ａ、原子弹利用核裂变，核电站利用核聚变

Ｂ、原子弹利用核聚变，核电站利用核裂变

Ｃ、原子弹对裂变的链式反应不加控制，核电站控制裂变的链式反应速率

Ｄ、原子弹对聚变的链式反应不加控制，核电站控制聚变的链式反应速率

【答案】C

3、学习了“能量的转化和守恒”的知识后，同学们提出了下面的一些关于利用和开发能源的建议，

其中不可行的是（）

A．我国煤炭资源丰富，应研究并采用如何让燃料充分燃烧，以减少热量损失的措施

B．电力部门应加快进行将内能直接转化为电能的研究，以减少内能在多次转化过程中的损失

C．我国应进一步开发利用江河水利资源

D．随着资源的不断消耗，应研究出一种既可以不消耗或少消耗能量，又能不断对外多做功的机器【答案】D

【解析】A、煤炭在燃烧的过程中，由于燃烧不够充分，导致散失的热量较多，故研究并采用如何让燃料充分燃烧，以减少热量损失的措施是必要的，此项说法正确；

B、现在我国的发电主要是火力发电，故研究内能直接转化为电能，以减少内能在多次转化过程中的损失，也是非常必要的．此项说法正确；

C、根据我国地利特点，进一步的开发潮汐能，也是可行的．此项说法正确；

D、能量既不会消灭，也不会产生，能量在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变；此项说法错误。

【总结升华】此题只要考查学生对能量守恒定律的理解，解答时把握好：能量既不能凭空产生也不能凭