第4節(jié)能源與可持續(xù)發(fā)展

第INET[知識深化]能量守恒定律的理解與應(yīng)用1．自然界中不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，一種形式的能量減少一定伴隨著其他形式的能量增加，能量的總量保持不變．2．能量守恒定律的適用范圍能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是在各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律．3．能量守恒定律的表達(dá)式(1)E初＝E末，初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和．(2)ΔE增＝ΔE減，某些能量的增加量等于其他能量的減少量．4．應(yīng)用步驟(1)明確研究對象及研究過程；(2)明確該過程中，哪些形式的能量在變化；(3)確定參與轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少；(4)列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)．例1下列說法正確的是()A．隨著科技的發(fā)展，可以制造出一種機(jī)器，使其不消耗任何能量但能源源不斷地對外做功B．太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了C．“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的D．有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產(chǎn)生答案C解析題述機(jī)器違背了能量守恒定律，A錯誤；太陽輻射大量的能量，地球只吸收了極少的一部分，但輻射到宇宙空間的能量也沒有消失，一定是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，B錯誤；馬和其他動物，包括人要運(yùn)動，必須消耗能量，動物的能量來源是食物中儲存的生物能，C正確；所謂的“全自動”手表內(nèi)部是有能量轉(zhuǎn)化裝置的，只有當(dāng)人戴著手表活動時，才能不斷補(bǔ)充能量，維持手表的運(yùn)行，如果把表放在桌面上靜置一段時間，它一定會停擺的，D錯誤．針對訓(xùn)練1(2022·山東濟(jì)南·學(xué)業(yè)考試)某地強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)速約為v，空氣的密度為ρ，如果把通過橫截面積S的風(fēng)的動能完全轉(zhuǎn)化為電能，則用上述已知量計(jì)算電功率的公式為()A．P＝eq\f(1,2)ρSv B．P＝eq\f(1,2)ρSv2C．P＝eq\f(1,2)ρSv3 D．P＝eq\f(1,2)ρSv4答案C解析風(fēng)能完全轉(zhuǎn)化為電能，由能量守恒定律得eq\f(1,2)mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，聯(lián)立解得P＝eq\f(ρv3tS,2t)＝eq\f(1,2)ρSv3，A、B、D錯誤，C正確．二、能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性導(dǎo)學(xué)探究內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為電能，電能可以轉(zhuǎn)化為光能、內(nèi)能、機(jī)械能……既然能量是守恒的，不會憑空消失，為什么還要節(jié)約能源呢？答案雖然能量的總量沒有減少，但由于能量轉(zhuǎn)化的方向性，使能量從便于利用的形式轉(zhuǎn)化為不便于利用的形式，導(dǎo)致了可利用的能源減少，因此我們?nèi)砸?jié)約能源．[知識深化]對“能量的耗散和品質(zhì)降低”的理解(1)各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也不過只能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能驅(qū)動機(jī)器做功了．(2)從可被利用的價值來看，內(nèi)能較之機(jī)械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量．由此可知，能量的耗散雖然不會導(dǎo)致能量的總量減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，實(shí)際上是將能量從高度有用的形式降級為不太可用的形式．(3)能量的耗散導(dǎo)致可利用能源減少，所以要節(jié)約能源．例2(多選)下列關(guān)于能量的耗散的說法正確的是()A．能量的耗散使能的總量減少，違背了能量守恒定律B．能量的耗散是指耗散在環(huán)境中的內(nèi)能很難被人類利用C．各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動全額發(fā)生的D．能量的耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低答案BCD解析能量的耗散是能量在轉(zhuǎn)化的過程中有一部分以內(nèi)能的形式被周圍環(huán)境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品質(zhì)降低，選項(xiàng)A錯誤，選項(xiàng)D正確；耗散的內(nèi)能很難再被利用，選項(xiàng)B正確；其他形式的能在一定的條件下可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但相反過程卻不能夠全額進(jìn)行，選項(xiàng)C正確．針對訓(xùn)練2(多選)對于能量的耗散理解正確的是()A．能量的耗散說明能量在不斷的減少B．能量的耗散遵循能量守恒定律C．能量的耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但能量卻可以憑空消失D．能量的耗散從能量的角度反應(yīng)出自然界中的宏觀過程具有方向性答案BD解析能量的耗散是能量變成了無法收集利用的內(nèi)能，能量不會不斷減少，A錯誤；能量守恒定律適用于整個自然界，物質(zhì)能量變化必須遵循能量守恒定律，B正確；能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，C錯誤；能量的耗散是一個宏觀過程，代表著能量向不可收集利用的方向轉(zhuǎn)化，D正確．三、能源的分類與應(yīng)用能源與社會發(fā)展1．能源的分類按可否再生分為可再生能源與不可再生能源(1)不可再生能源：人們把煤炭、石油、天然氣叫作化石能源．化石能源無法在短時間內(nèi)再生，被叫作不可再生能源．(2)可再生能源：在自然界可以再生，例如水能、風(fēng)能、潮汐能、生物能、地?zé)崮艿龋?．能源和環(huán)境污染(1)溫室效應(yīng)：石油和煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，因此加劇了溫室效應(yīng)．溫室效應(yīng)使得兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒沿海城市，使海水倒流入河流，從而使耕地鹽堿化；溫室效應(yīng)使全球降水量變化，影響氣候和植被變化，影響人體健康．(2)酸雨：酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大氣降水．形成酸雨的主要原因是燃燒煤炭和石油，以及工業(yè)生產(chǎn)等釋放到大氣中的二氧化硫等物質(zhì)使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蝕建筑物、酸化土壤．(3)光化學(xué)煙霧：內(nèi)燃機(jī)工作時的高溫使空氣和燃料中的多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮的氧化物和碳?xì)浠衔铮@些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產(chǎn)生二次污染物質(zhì)——光化學(xué)煙霧．這些物質(zhì)有毒，會引起人的多種疾病．另外，常規(guī)能源燃燒時產(chǎn)生的浮塵也是一種主要的污染物．3．能源與社會發(fā)展要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就要樹立新的能源安全觀，并轉(zhuǎn)變能源的供需模式．一方面大力提倡節(jié)約能源，另一方面要發(fā)展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等清潔能源，推動人類與自然的和諧發(fā)展．例3(多選)(2022·浙江杭州·期末)關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點(diǎn)正確的是()A．能源是有限的，無節(jié)制地使用常規(guī)能源，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．能源的開發(fā)和利用，必須同時考慮其對生態(tài)環(huán)境的影響D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機(jī)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的重要途徑答案ACD針對訓(xùn)練3某市有20萬臺空調(diào)機(jī)，每臺空調(diào)機(jī)在夏季平均使用60天，每天耗電8kW·h.為了節(jié)約能源，該市政府建議大家都把室內(nèi)設(shè)定溫度提高1℃，這樣每臺空調(diào)機(jī)每天可節(jié)省6%的電能．那么這樣做能使該市在夏季節(jié)省多少電能？已知標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值是2.92×107J/kg.發(fā)電廠的發(fā)電效率是30%.請計(jì)算一下，這項(xiàng)節(jié)能建議的實(shí)現(xiàn)能在1年內(nèi)節(jié)約多少噸標(biāo)準(zhǔn)煤？(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)答案2.1×1013J2.4×103t解析設(shè)可節(jié)省W·h≈2.1×1013J，設(shè)1年內(nèi)節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量為m，由能量守恒定律有2.92×107J/kg×m×30%＝E，解得m≈2.4×106kg＝2.4×103t.(建議用時：40分鐘)1．低碳生活是一種綠色而又環(huán)保的新型生活方式，日常生活注意節(jié)電、節(jié)油、節(jié)氣、節(jié)水，從點(diǎn)滴做起，保護(hù)環(huán)境，保護(hù)地球．下列關(guān)于能源與能量的理解正確的是()A．能量是守恒的，沒有必要提倡節(jié)約能源B．能量的耗散表明自然界的能量在利用過程中正在不斷地消失C．自然界中石油、煤炭等能源取之不盡，用之不竭，只需不斷開發(fā)D．人類應(yīng)積極開發(fā)與利用風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生的新能源答案D解析在能源的利用過程中，雖然能量在數(shù)量上并未減少，但可利用率越來越小，故仍需節(jié)約能源，故A錯誤；能量的耗散表明自然界的能量在轉(zhuǎn)化的過程中可利用率越來越小，但總量不會減小，故B錯誤；自然界中石油、煤炭指的是億萬年前的大量生物的遺體在地層中經(jīng)過一系列生物化學(xué)變化而生成的，在短時間內(nèi)不能再生，是不可再生能源，故C錯誤；風(fēng)能、太陽能、潮汐能是可再生能源，人類應(yīng)多開發(fā)與利用，故D正確．2．(多選)下列說法正確的是()A．能量只是以勢能和動能兩種形式存在B．能量只是存在于具有一定高度或運(yùn)動狀態(tài)的物體中C．任何物質(zhì)均具有能量D．能量存在形式多種多樣，且不同形式之間可以相互轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化過程中總能量是守恒的答案CD3．(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說法中，正確的是()A．能量在轉(zhuǎn)化過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為周圍環(huán)境中的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用B．各種形式的能量在轉(zhuǎn)化時，總能量是不變的C．在能源的利用過程中，能量的總量并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成了不便于利用的D．各種能量在不轉(zhuǎn)化時是守恒的，但在轉(zhuǎn)化時是不守恒的答案ABC解析根據(jù)能量守恒定律可知，無論在能量的轉(zhuǎn)化還是在能量的轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量都是不變的．由能量的耗散知，在能量轉(zhuǎn)化的過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為周圍環(huán)境中的內(nèi)能，而我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這表明，在能源的利用過程中，能量的總量并未減少，但是在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的，而自然界的總能量仍是守恒的，故選項(xiàng)A、B、C正確，D錯誤．4．關(guān)于能量和能源，下列說法正確的是()A．由于自然界的能量守恒，所以不需要節(jié)約能源B．在利用能源的過程中，能量在數(shù)量上并未減少C．能量的耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中沒有方向性D．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)造答案B5．下列供熱方式最有利于環(huán)境保護(hù)的是()A．用煤作為燃料供熱B．用石油作為燃料供熱C．用天然氣或煤氣作為燃料供熱D．用太陽灶供熱答案D6．節(jié)約能源的主要措施是()A．大力開發(fā)新能源B．大量利用太陽能、地?zé)崮蹸．大量利用風(fēng)能、水能D．采用新技術(shù)、新設(shè)備，更新改造落后的技術(shù)設(shè)備答案D解析在能源的利用中，雖然能量守恒，但可以有效利用的能量只占其中一部分，另外的一部分未被利用而散失了．因此，提高能源的利用率，節(jié)約能源是一個關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題，而提高能源利用率，節(jié)約能源，離不開科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步．采用新技術(shù)、新設(shè)備，更新落后的技術(shù)設(shè)備是節(jié)能的主要措施，故D正確．7．利用下列能源，可以減少污染環(huán)境的氣體排放的是()A．太陽能 B．煤炭C．石油 D．天然氣答案A解析使用太陽能不污染環(huán)境，是一種清潔能源，故A正確；煤炭燃燒時產(chǎn)生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等物質(zhì)，污染環(huán)境，故B錯誤；石油燃燒時產(chǎn)生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮等物質(zhì)，污染環(huán)境，故C錯誤；天然氣燃燒時生成大量的二氧化碳、一氧化碳等物質(zhì)，污染環(huán)境，故D錯誤．8．(多選)為了減緩大氣中CO2濃度的增加，可以采取的措施有()A．禁止使用煤、石油和天然氣B．開發(fā)使用核能、太陽能C．將汽車燃料由汽油改為液化石油氣D．植樹造林答案BD解析能源利用與環(huán)境保護(hù)是相互制約的，要盡量節(jié)約常規(guī)能源的使用，大力開發(fā)新能源，植樹造林．9．(多選)煤炭是重要的能源和化工原料，直接燃燒既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境．某企業(yè)利用“煤粉加壓氣化制備合成氣新技術(shù)”，讓煤變成合成氣(一氧化碳及氫氣總含量≥90%)，把煤“吃干榨盡”．下列有關(guān)說法正確的是()A．煤粉加壓氣化制備合成氣過程涉及化學(xué)變化和物理變化B．煤粉加壓氣化制備合成氣過程涉及化學(xué)變化但沒有物理變化C．該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤的清潔利用D．該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤的高效利用答案ACD解析煤粉加壓氣化制備合成氣過程中既有物理變化，又有化學(xué)變化，A正確，B錯誤；該技術(shù)使煤得以良好利用又環(huán)保，C、D正確.10．如圖所示是一種太陽能草坪節(jié)能燈，太陽能電池板供一只“10V9W”的電子節(jié)能燈工作．若太陽能電池板接收太陽能的有效面積為0.3m2，平均1小時得到的太陽能為4×105J，太陽光按平均一天照8小時計(jì)算，恰好可以供電子節(jié)能燈工作10小時．問：(1)太陽能節(jié)能燈的能量轉(zhuǎn)化情況；(2)太陽能電池板單位面積上接收太陽能的功率為多少？(3)太陽能節(jié)能燈利用太陽能的效率大約是多少？答案(1)見解析(2)370.4W(3)10%解析(1)能量轉(zhuǎn)化：太陽能→電能→光能(熱能)(2)太陽能電池板單位面積上接收太陽能的功率：P＝eq\f(4×105,0.3×1×3600)W≈370.4W.(3)太陽能節(jié)能燈利用太陽能的效率：η＝eq\f(9×10×3600,4×105×8)×100%≈10%.11．四川省“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃指出，若按現(xiàn)有供水能力測算，四川省供水缺口極大，蓄引提水是目前解決供水問題的重要手段之一．某地要把河水抽高20m進(jìn)入蓄水池，用一臺電動機(jī)通過傳動效率為80%的皮帶，帶動效率為60%的離心水泵工作．工作電壓為380V，此時輸入電動機(jī)的電功率為19kW，電動機(jī)的內(nèi)阻為0.4Ω.已知水的密度為1×103kg/m3，重力加速度取10m/s2，求：(1)電動機(jī)內(nèi)阻消耗的熱功率；(2)將蓄水池蓄入864m3的水需要的時間(不計(jì)進(jìn)、出水口的水流速度)．答案(1)1kW(2)2×104s解析(1)設(shè)電動機(jī)的電功率為P，由P＝UI得I＝eq\f(P,U)＝eq\f