2020_2021学年新教材高中物理第五章电能与能源的可持续发展第二三四节能源的利用方式能量的转化与

第二节能源的利用方式第三节能量的转化与守恒第四节能源与

环境

必备知识·自主学习

一、能源的利用方式

1.化石能源包括:石油、煤炭、天然气等。

2.新能源包括:水能、风能、太阳能、核能等。此外,还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。

二、能量的转化与守恒

1.各种各样的能量:

2.能量的转化和转移:

(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。

(2)能量的存在形式多种多样,而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中,可利用的效率不断下降。

3.能量守恒: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;在转化和转移的过程中其总量不变。

4.能量转化(转移)的方向性:

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,但都不违反能量守恒定律。

三、能源与环境

1.可再生能源和不可再生能源:

(1)煤、石油、天然气等在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,称为不可再生能源。

(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源,称为可再生能源。2.能源与环境:

能源开发对环境的影响

(1)对大气环境的影响。

(2)对生态环境的影响。

(3)对居住环境的影响。

3.环境保护的三个主要方面:

(1)防治生产和生活的污染。

(2)防止建设和开发的破坏。

(3)保护自然环境。

关键能力·合作学习

知识点一能量守恒定律的应用

1.能量的形式:

(1)含义:一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能量,又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功,因此这些物体都具有能量,流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。

(2)能量的转化与能量的转移:各种不同形式的能量可以相互转化,而且在转化过程中总量保持不变,也就是说当某个物体的能量减少时,一定存在其他物体的能量增加。

(3)功是能量转化的量度:不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是各种形式的能量转化的过程,且做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化(或转移)的量度。

2.能量守恒定律的表达式:

(1)E初=E终。

(2)ΔE增=ΔE减。

3.自然界中的宏观现象具有方向性:

(1)能量耗散:燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。

(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。

(3)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的高品质降级为不大可用的低品质形式。

(1)如图是小型汽油机模型,汽油机在工作过程中能量是怎样转化的?

提示:汽油燃烧时化学能转化为内能,汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。

(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗?

提示:不能,因为内燃机工作时总有内能损失,不可能全部转化为机械能。

【典例】如图a、b是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)。当落潮时,开闸放水发电(见图b)。设海湾水库面积为

5.0×108 m2,平均潮差为3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3,g取10 N/kg) ( )

A.2.6×104 kW

B.5.2×104 kW

C.2.6×105 kW

D.5.2×105 kW

【解析】选B。利用潮汐发电,就是水的重力势能转化为电能,水能转化电能的效率是10%,一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加:W水=GΔh=mgΔh=ρ水VgΔh=ρ水ShgΔh,Δh为水的重心

下降的高度,即:Δh= m,则水的势能可转变为电能:W电=W水×10%=1.0×103 kg/m3×5.0×108 m2×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1=2.25×1012 J。每天两次涨潮,则该发电站一天能发电

4.5×1012 J,所以每天的平均功率为P==

5.2×104 kW,故B项正确。

如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中的制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是( )

A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外

B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能

C.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律

【解析】选B。由热力学第二定律可知,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,除非有外界的影响或帮助,电冰箱把热量从低温物体传到高温物体,需要压缩机的帮助并消耗了电能,B正确,A、D错误。热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化或内能转移的规律,是能量的转化和守恒定律的具体表现,适用于所有的热学过程,故C错误。故选B。

【加固训练】

1.市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下,小电扇快速转动,能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况是( )

A.太阳能→电能→机械能

B.太阳能→机械能→电能

C.电能→太阳能→机械能

D.机械能→太阳能→电能

【解析】选A。电池板中太阳能转化为电能,小电动机中电能转化为机械能,故A项正确。

2.风力是清洁能源,我国的风力发电技术已经走在世界的前列。某公司独立研发并制造的SL5 000 风力发电机,单机设计功率为5 000 kW,叶片长度为64 m,已知空气的密度为1.29 kg/m3,如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%,则该风力发电机正常工作时,风速值应接近( )

A.8 m/s

B.10 m/s

C.15 m/s

D.20 m/s

【解析】选C。以叶片长l=64 m为半径的圆面积S=πl2,在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x=vt,该柱形体积内风的动能为E k=ρSxv2=ρπl2vtv2=ρπl2v3t,功率公式

P=,则该风力发电机发出的电功率P的数学表达式为P=ηρπl2v3,代入数据得v≈14.4 m/s,故C项正确。

知识点二能源的分类与应用

1.地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能: