22能源与可持续发展第1节能源一、人类利用能源的历程1、能源1能量：物质的运动和相互作用的方式多种多样,每种运动形式都对应相应的能量;2能源：能够提供能量的物质资源叫做能源;煤、石油、天然气是当今人类利用的主要能源;3能源与能量的区别1化石能源：我们今天使用的煤、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,所以称为化石能源;2生物质能：由生命物质提供的能量称为生物质能;生物质能是化学能源的一种,他可以理解成机体物质发生化学变化时释放的能量;3太阳能：由太阳辐射提供的能量;4风能、水能：都属于自然界提供的机械能;5地热能：由地球内部提供的能量;3、人类利用能源的历程像化石能源这样可以直接从自然界中获得的能源,我们称为一次能源;我们使用的电能,无法从自然界直接获取,必须通过消耗一次能源才能得到,所以称电能这样的能源为二次能源;常见的一次能源有：煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、核能等;常见的二次能源有：电能、汽油、柴油等;注意：辨别一次能源和二次能源的依据一次能源是可以直接从自然价获得的能源；二次能源是由一次能源经过加工转换而得到的,如电能、煤气、焦炭、汽油、柴油等;区分一次能源和二次能源的关键是看其是否经过加工转换;知识扩展：能源有不同的分类标准,除按能否直接从自然界获得来分为一次能源与二次能源外,还有以下几种分类情况：1按对环境的影响可分为①清洁能源：指不排放污染物的能源：如太阳能、电能、水能、地热能等;②污染能源：指人类再利用过程中会污染环境的能源,如煤、石油,天然气等;2按人类开发早晚和使用情况可分为常规能源和新能源;①常规能源：指已经大规模生产和广泛利用的能源,如煤、石油、天然气及水能等;②新能源：指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源：如核能、太阳能、潮汐能、地热能等;5、人类广泛使用电能的原因：电能是由其他形式的能转化而来的二次能源;由于电能便于输送和转化,又加上现代社会离不开各种各样的用电器,所以电能的利用是人类进入现代文明社会的标志;人们使用不同的用电器,根据需要将电能转化为其他各种形式的能量;二、21世纪的能源趋势1、能源危机：由于世界人口的急剧增加和经济的不断发展,能源的消耗持续增长;特别是近几十年来,能源消耗增长速度明显加快;所以开发新能源、更好地利用已知能源,是全球范围内的重要课题;2、解决能源问题的出路：随着第三次能源革命序幕的拉开,核能成为主要能源;同时人类正着力开发取之不尽、用之不竭的太阳能,并取得了重大成就;核能、太阳能的开发和利用为人类的能源问题找到了新的出路;面对目前的能源趋势,解决能源问题的主要出路有：一是提高能源的利用率,做到科学开发,节约使用；二是开发和利用新能源,如太阳能、风能、地热能等;第2节核能一、核能1、原子、原子核的组成1分子由原子构成,原子由原子核和核外电子构成,其中原子核带正电,核外电子带负电;2原子由原子核和核外绕核旋转的电子构成,原子核由质子和中子组成,质子带正电荷,其电荷量跟电子的电荷量相等,中子不带电,整个原子不显电性;质子的质量比电子大得多,质子和中子的质量几乎相同,二者在一起构成非常小的原子核,就像几颗豆粒挤在原子这个大广场的中央;2、核能1质子、中子依靠强大的核力紧密的结合在一起,因此原子核十分牢固,要使它们分裂或结合是极其困难的;但是,一旦质量较大的原子核发生分裂或质量较小的原子核相互结合,就有可能释放出惊人的能量,这就是核能;2核能属于一次能源,也属于新能源,释放核能的方式有两种：核裂变和核聚变;二、裂变1、裂变：用中子轰击质量比较大的铀235原子核,使其发生裂变,变成两个质量中等大小的原子核,同时释放出巨大的能量,这种现象叫做裂变;1kg铀全部裂变,释放的能量超过2000t煤完全燃烧时释放的能量;2、链式反应：用中子轰击铀235原子核,铀核分裂时释放出核能,同时还会产生几个新的中子,这些中子又会轰击其他铀核;;;;;;于是就导致一系列铀核持续裂变,并释放出大量核能,这就是裂变中的链式反应;3、裂变的应用：原子核在裂变时能够释放出大量的能量;1如果对链式反应不加控制,将在极短时间内释放出巨大的核能,发生剧烈爆炸,原子弹就是根据这一原理制成的;2我们还可以控制链式反应的速度,把核能用于和平建设事业;“核反应堆”就是控制链式反应的装置;控制链式反应的速度,能够缓慢地、平稳的释放核能的装置,叫做核反应堆,核反应堆是核电站的核心设备,它以铀为核燃料;核反应堆中放出的核能转化为高温高压蒸汽的内能,通过汽轮机和发电机转化为电能;核反应堆核电站工作流程3核电站工作流程①第一回路中的水或者其他液体被泵压入核反应堆,在那里加热,然后进入热交换器,把热量传递给第二回路的水,以后又被泵压回到核反应堆里;②在热交换器内,第二回路中的水经加热生成高温高压蒸汽送入汽轮机,驱动汽轮机做功后温度和压强都降低,进入冷凝器,最后又由泵把它压回热交换器;③高速旋转的汽轮机带动发电机发电可见,核电站发电时能量转化顺序是：核能——内能——机械能——电能;核电站特点：①消耗的燃料少、废渣也少、对大气基本无污染;②成本低,一些发达国家的核电已占相当大的比例,我国的核电事业发展的也很快;③可以大大减少燃料的运输量,特别适合能源缺乏的地区使用;④要防止发射性物质的泄漏,避免放射性污染,确保安全;知识拓展：各种发电方式的特点火力发电水力发电核能发电风力发电发电类型特点能量转化化学能→内能→机械能→电能水能→电能核能→内能→机械能→电能风能→电能应用范围广泛较广泛较小较小对环境的污染程度较大没有较小没有三、聚变1、如果将某些质量很小的原子核,在超高温下结合成新的原子核,也会释放出巨大的核能,这就是聚变;聚变反应要求一开始就要有很高的温度,因此聚变反应也称为热核反应;2、大量氢核的聚变,可以在瞬间释放出惊人的能量;清单就是利用核聚变原理制造的一种比原子弹威力还要大的核武器;太阳内部也在时刻不停地发生着核聚变;3、裂变与聚变的比较比较裂变聚变定义较大原子核分裂为较小原子核的过程质量很小的原子核结合成较大原子核的过程条件用中子轰击较大原子核超高温释放核能大小巨大更加巨大是否可控制可利用核反应堆控制链式反应的速度目前,核聚变速度还不能认为控制应用原子弹、核电站氢弹核能的优点①核能十分巨大,它能极大的补充人类能源的不足,使用核能大大节约了常规能源②核能能够解决能源分布不均衡的问题核能的缺点①核能属于一次能源,且会越用越少②核能存在核污染,产生核辐射,会对地球生物造成伤害③核反应堆中会产生核废料,在治理核废料过程中,代价较高核电站应用地域①核电站一般建在能源需求量大,而且能源十分缺乏的地区②核电站建在离人群较远的地区,避免对人畜造成伤害第3节太阳能一、太阳——巨大的“核能火炉”1、太阳的构造：从内到外一次是太阳核心、辐射曾、对流层、太阳大气;2、太阳能的由来——氢核聚变;在太阳内部,氢原子核在超高温下发生聚变,释放出巨大的核能;因此可以讲,太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸,所以说太阳是一个巨大的“核能火炉”;3、太阳能的传递——热辐射;太阳核心的温度高达1500万摄氏度,太阳核心释放的能量向外扩散可以传送到太阳表面;太阳表面温度约为6000℃,就像一个高温气体组成的海洋;大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射开去;二、太阳是人类能源的宝库1、地球上除核能、地热能和潮汐能以外所有的能量都来自太阳,所以说太阳是人类能源的宝库;2、化石能源的形式：远古时期陆地和海洋中的植物,通过光合作用,将太阳能转化为生物体的化学能;在它们死后,躯体埋在地下和海底,腐烂了;沧海桑田,经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动,在高压下渐渐变成了煤和石油;在石油形成过程中还放出天然气;今天我们开采的化石燃料来获取能量,实际上是在开采上一年前地球所接收的太阳能;三、太阳能的利用1、利用太阳能的四个渠道1绿色植物的“光化转换”;通过植物的光合作用被植物、微生物吸收将太阳能储存起来,再以草木、沼气、煤、石油、天然气等形式释放出来,实现光能转化为化学能;2空气水分的“光机转换”;由于太阳的热辐射,使大气和水分升腾循环,再通过风、水等形式释放出来,实现光能转化为机械能;3被海洋吸收,成为海洋内能;4直接被人们利用;人们直接利用太阳能的方式有两种：①集热器的“光热转换”,实现太阳能转化为内能；②太阳能电池的“光电转换”,实现太阳能转化为电能;2、太阳能的优缺点1优点：太阳能作为一种新能源,它具有一些普通能源不可比拟的优点;①太阳能取之不尽,用之不竭,太阳内部的热核反应足以持续50亿年,是人类可以利用的最丰富的永久性资源;②太阳能分布广阔,不需要挖掘、开采和运输,透入少收益大;③太阳能是一种清洁能源,使用时不会带来任何污染;2缺点：太阳能虽然具有传统能源所没有的优点,但也有一些缺点给利用上带来一些困难;①太阳能到达地球上非常分散,需要装置有相当大的接收面积,提高了接收装置的造价;②太阳能的利用受气候、昼夜的影响很大;因此必须有贮存张志,这不仅增加了技术上的困难,也使造价增加;目前虽然已经制成多种贮存系统,但总是不够理想,具体应用也有一定困难;③太阳能转换效率很低;第4节能源与可持续发展一、能量转移和能量转化的方向性1、能量的转移和转化具有方向性;2、节约能源：能量的转化、能量的转移,都是有方向性的;人们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的,因此,不是什么能量都可以利用;能源的利用是有条件也是有代价的,我们所能利用的能源是有限的,所以需要节约能源;二、能源消耗对环境的影响1、能源消耗对环境的影响,主要体现在以下几个方面：1能源消耗会造成热污染;化石能源在使用时会产生大量的内能,其中被利用的内能只是其中的一部分,还有相当一部分没有被利用,从而造成了热污染;汽车尾气就是造成城市热岛效应的原因之一;2大量燃烧化石能源会造成空气污染和温室效应的加剧;如燃烧石油和天然气、煤等会产生大量的CO2、SO2、氮氧化物等气体,除污染空气和加剧温室效应外,还会形成酸雨,导致水、土壤酸化,对植物、建筑物、金属构件等造成危害;3一些欠发达国家用柴薪能源除会造成空气污染、产生废物外,还会加剧水土流失和沙漠化;4作为第三次能源革命的标志——核能的开发和利用,也不是绝对清洁和安全的,处理不当会造成有害辐射;2、人类不应当无限制的向大自然索取,我们必须在提升物质文明的同时,保持与自然、环境的和谐与平衡;不要因为利用能源时会对环境造成污染而停止使用能源,也不要因为能源的利用促进了文明和社会的发展而对环境造成严重污染;使用能源和保护环境可以做到有机的统一和谐的发展;要解决这个问题,当然离不开科学技术的进步和社会的发展;三、能源与可持续发展1、可持续发展可持续发展就是既要考虑当前发展需要,又要考虑未来发展需要,不能以牺牲后人的利益为代价来满足当代人的需求;可持续的能源生产和消费,已成为社会经济可持续发展的重要前提之一;一方面,应该提高能源的利用率,减少能源使用中对环境的破坏；另一方面,发展新的理想能源;2、不能再生能源和可再生能源化石能源、核能等能源会越用越少,不能在短期内从自然界得到补充,这类能源称为不可再生能源;想水能、风能、太阳能、生物质能等可以在自然界里源源不断的得到,所以我们把它们称为可再生资源;常见的不可再生能源有：煤、石油、天然气、核能等;常见的可再生能源有：风能、水能、太阳能、生物质能等;注意：我们说讲的“可再生能源”和“不可再生能源”都是针对一次能源而言的,即只有对自然界中自然存在,可直接取用的能源来讲,才能说其属于“可再生能源”或“不可再生能源”;3、未来的理想能源必须满足的四个条件未来理想能源能够大规模替代石油、煤和天然气等不可再生能源;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;。
