能源的开发和利用课例 粤教必修

【学习指导】

被誉为19世纪三大发现之一的能量守恒定律，是人类经历数世纪总结力学、热学、化学、电化学、生物化学、电学、磁学诸多领域，特别是电磁学和热力学的实验和观察经验后推导出的普遍性科学定律。它在物理、化学、生物、天文、地理等领域发挥着重要作用。可以说没有哪一个定律能将如此广泛的学科，技术领域联系起来而成为自然界这一转化过程的普遍定律。自然界中能量的转化表现为：物理运动中的能量与能量变化，化学变化中的能量与能量转化，生态系统中的能量流与物质流，社会运动中的能量与能量变化等等。

本专题的学习要特别注重如下几点：

1．机械能间的转换与守恒，热力学第一定律及应用，电磁感应中能量转化分析，能量转化与守恒及能源危机等问题。

2．反应热与化学键的变化，化学能与电能的转换，原电池与电解池的原理，赫斯定律与能量的转化。

3．绿色植物的光合作用原理，生物能发电的研究，生态系统中的能量流，动物体内能量的转移利用。

【专题讲座】

1．能源分类

在自然界中，凡是能提供机械能，热能，电能，化学能等各种形式能量的自然资源，统称为能源，能源是人类社会经济生活中的重要的物质基础，在人类能源利用史上有四个重要的发展时期，即火的使用，蒸汽机的发明和使用，电能的使用和原子能的利用，每一个高效的新能源的利用都与物理学的发展紧密相关，而且都会使社会进入一个新的天地。

地球上的能量来源可分为三大类：第一类来自地球外天体的能量，主要是太阳辐射能量，包括传统的燃料能源（煤，石油，天然气）和非燃料能源（风，水流，海洋等的能量）；第二类是地球本身蕴藏的能量（地热能）和地壳中所储存的核裂变燃料（如铀）及海洋中的氘、氚等聚变能资源；第三类是由于地球和月亮，太阳等天体相互作用的能量，如潮汐能等。能源利用的过程，实质是能量的转化和传递的过程。

2．自然界中运动形式所对应的能量形式

自然界中存在多种形态的运动：物理运动，化学运动，生命运动，思维运动，社会运动等。在自然界多种运动形态中，物理运动（包括宏观物体的机械运动、物质的热运动、电磁运动。微观粒子的量子运动、宇观天体的运动）是最基本的、最普遍的运动形态，这是因为物理运动形态遍布宇宙万物中的各种物质的运动之中。在物理运动的基础上，形成了更复杂、更高级的化学运动、生命运动、宇宙运动甚至社会运动，由于物理运动的基本性和普遍性，使用权研究这种运动规律的物理学成为各门科学技术的重要基础。在自然界中，每种形式的能都跟物质的某种形式的运动相对应，同时能不断转化表明物质的运动不断地从一种形式转化为另一种形式。

3．能量的转化与守恒

能量守恒渗透于所有的自然现象之中，并常常在力学现象中直观、明显地表现出来。亚里士多德的杠杆原理，伽利略所观察斜面运动和自由落体运动，都涉及到物体的功能和势能之间的转化及它们的总量不变原则。证明热是物质的一种运动形式、伏打电池的发明（1800年）等展现了更广阔的前景，热、光、电、磁和化学结合，生物的生命力在能量概念的基础上开始逐步统一起来。电解水的实验（1800年）表明电能和化学能可以相互转化；奥斯特（H．Oersted）发现的电流磁效应（1820年）表明电能与磁能存在某种可转化的关系；法拉第的电磁旋转现象（1821年）第一次揭示了电磁能转化为机械能的可能性；塞贝克发现的温差电（1822年）证明热能可以转化成电能。焦耳测量焦耳热的实验，以精确的结论总结了化学能、电能和热能之间的关系。1845年法拉第发现的磁致旋光现象，更深地揭示了电、磁、光的三者之间的作用关系。

物质的能量是物质系统由其状态所决定的总能见。它包括宏观物体的动能和势能，物质分子热运动的动能和分子间势能，组成分子的原子间的键能，以及原子的能量，原子核内核子间的结合能，还有核子内的能量等等。当问题牵涉到化学反应，而未引起原子内部结构的变化时，物质的能量变化与化学能（键能）有关，即物质的能量决定于描述键能的“化学键”这个参量、在化学反应中，反应分子转变为生成物分子，各原子内部并无多少变化，但原子间的结合方式发生了变化。其实质是反应物分子中的化学键全部或部分遭到破坏，又形成生成物分子中的新的化学键，此过程所发生的能量转化即为化学反应的反应热。

生物体内的物质代谢中伴随着能量代谢，能胜代谢包含能量的释放，转移和利用，无论是低等的单细胞生物还是高等的人类能量的释放，转移和利用都是以ATp为中心的，生物体内ATp的形成途径主要有四条：光合作用中的光合磷酸化反应，有氧呼吸中的氧化磷酸化反应，无氧呼吸中的糖解反应及ADp的磷酸肌酸反应。

4．能源危机与新能源的开发

20世纪以来世界能源消费量大幅增长，人均消费能源的多少，往往被看作是一个国家贫富的标志。近50年来世界经济的迅猛发展有赖于能源的大规模开发和利用。目前全世界每年消费的总能量约为0.34Q（1Q＝1.05×10²¹J），其中美国约占40％。发达国家的人口约占世界总人口的20％，而能源消费量却占60％以上。这些国家大都依赖于中东的石油。50年代中期爆发的第一次中东战争，酿成了工业发达国家的第一次能源危机；而1973年爆发的第四次中东战争，更给西方世界带来了比较严重的能源危机；I991年初的海湾战争，主要也是发达国家为了争夺石油资源，为确保能源供应引发的。

世界石油的可采储量约900亿吨，按照目前的生产水平，仅能开采50年左右；天然气资源的总储量也很有限，预测它将比石油晚20年开采完毕，煤的总储量比较丰富，尚可供人类开采和使用2～3百年之久，但由于环境保护的限制，预计煤的生产量在21世纪即将达到高峰，能源消费的大幅度增长以及石油资源的短缺，将成为世界能源问题的焦点。因此新能源的开发和利用，受到了世界各国的高度重视。

太阳能是人类赖以生存和发展，在生活和生产各方面都不可缺的最古老的能源。人类所使用的能量绝大部分来源于太阳能，捕获太阳能的生物主要为绿色植物。绿色植物能够通过光合作用把太阳能转化为化学能。对世纪（特别是后半期）的主要能源很可能就不得不是太阳能了，这将是保证人类社会可持续发展的最切实可靠的保障。

【综合例析】

例题1 大规模开发利用于太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求。太阳能的光一热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式。太阳能热水器的构造示意图如图所示，下方是象日光灯管似的集热管，外有透明玻璃管，内有黑色管子（管内蓄水），由导热性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面。

图1 图2

试分析下列有关太阳能的利用问题：

1．说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应？水箱为何安装在顶部而非下部？

2．图2中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿______时针向流动，这是因为__________________。C是附助加热器，其作用是__________。请在图中适当位置安上进水阀门，和出水阀门，并说明选择位置的理由。

3．试举例分析说明太阳能与电能、化学能、生物能的转换。

【解析】

1．日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管子使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管田间空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚焦在水管内，水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流。

2．顺时针流动，集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动；在阴天用电加热的方式使水温升高；在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安出水阀门，可使热水流出，冷水得以补充。

3．利用光电效应将太阳能转化成电能。光一电转换的基本装置是太阳能电池，目前国产硅光电池的最大开路电压已达到600mV。利用硅光电池的光电流随受光面积变化的特征，制成了各种自动控制装置；利用太阳能辐射能直接分解水制氢，氢是二次能源，用途广、无污染、便贮存、便运输，这是一种很有吸引力的途径；捕获太阳能的生物是绿色植物，利用植物的光合作用，将太阳能转化成生物能。

【参考答案】

见解析部分

【点评】太阳能的利用和能量的转换是高中理科的重点教学内容之一，本题把物理学、化学及生物学知识综合起来，有利于培养学生理论联系实际的能力。

例题2? 核电站中采用核反应堆使重核裂变，将释放出的巨大能量转换成电能。

1．写出核裂变反应和一般化学反应的不同点（3点）

2．核电站在热量传递的循环系统中应用了钠钾合金作为传热介质，试根据销钾合金的性质说明这一应用的两点理由。

3．核反应除释放巨大的能量外，还可以用来生产各种放射性同位素，请分别阐明放射性同位素的辐射育种和临床治癌原理。

【解析】

1．对单位质量的物质而言，核裂变释放的能量远大于化学反应中能量；核反应前后元素（原子核）发生变化，而化学反应中元素不变（电子有得失）；一种同位素不论处于几价，它们的核反应性质相同，而化学性质不同；而同一种元素的不同同位素（如铀235和铀238）化学性质相同，但核反应的性质不同；核反应的速度与温度压强等无关，仅由核内因素决定，而化学反应与温度高低及压强大小等有关。

2．钠钾合金熔点低，常温下为液态，可在管道内流动；钠钾合金是热的良导体。

3．辐射育种原理：利用射线对遗传物质产生影响，提高基因突变频率，供人工选择选育；临床治癌原理：利用射线的能量杀伤癌细胞或阻止癌细胞生长。

【参考答案】

见解析部分

【点评】

核能的利用和核反应的条件及其特点是高中理科的重点教学内容，本题通过核反应与化学反应的区别与联系，核反应中的有关材料的化学性质放射性同位素的应用把物理学与化学及生物学知识综合起来，有利于培养学生跨学科知识综合应用的能力。

例题3 由于人们长期使用煤和石油，这两种传统能源（如煤和石油）已被大量消耗，同时对环境造成了严重的危害。目前人们逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上去探索高效、洁净的新能源。在21世纪，新能源将在能源消费构成中占据越来越重要的地位。

1．既然任何能量转化过程中其总量是守恒的，为什么人类社会仍有能源危机的产生？

2．根据你所掌握的知识，说说目前国际上有关新能源的研究和开发主要集中哪些方面。

【解析】

1．虽然能的总量是守恒的，但各类能量在自然大环境下转化的时间和方式是各不相同的，人类目前使用的常规能源（煤，石油，天然气）只能再用不到200年，但这些能源的形成却需要几千万年时间，另外地球上各类能量在自然大环境下转化方式中，有些是不可逆的，根据热力学第二定律可知，任何自然界的宏观过程都具有方向性，也必然存在着能量耗散，而目前人类生活需要的能量是巨大的，故在不久的将来存在着能源危机。

2．目前有关新能源的研究和开发主要在如下几个方面：①光电池已在一些领域（如计算器、广告牌照明等）广泛使用；②太阳能已开始用于一些居民住宅和发电，以太阳能电池为能源的汽车也在实验中；③用汽油、天然气和氢做燃料的燃料电池也正在大力研制之中，研究员正在设法提高燃料电池的工作效率；④核能发电面临着一场革命，核反应器的设计将全面创新，未来的反应器将具有自动防止故障的能力而且体积将大大缩小；⑤再生能源的使用也在不断发展和扩大，根据美国能源部的报告，现在美国再生能源的供应量占美国总能源量10％，据估计到2030年将增加到28％；③生物能发电的研究和作用。

【答案】

见解析部分

【点评】

本题以“能源危机及新能源的开发”作为问题的切入点，解题涉及到高中理科的多学科知识，主要考查学生综合分析的能力。它所涉及的知识点是自然科学中十分重要的内容，也是要求较高的内容。