2018－2019学年高中物理 第三章 热力学第一定律 第五节 能源与可持续发展讲义（含解析）粤教版选修3-3.doc

能源与可持续发展1随着社会的发展，能源消耗使自然资源锐减，且使许多环境因素改变，能源和环境是人类面临的两大问题。2常规能源煤、石油、天然气的使用使大气中的污染物质超出正常含量， 引起空气质量恶化，危害生态环境，产生的主要危害有“光化学烟雾”、温室效应和酸雨。3温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的热量平衡造成全球变暖，它会引起海平面上升、气候变化和疾病增多。控制的对策首先是通过调整能源结构，控制二氧化碳的排放量，具体措施是：提高能源利用率和开发新能源。4酸雨是人为排放的二氧化硫和氮氧化合物在降水过程中溶入雨水形成的，它的危害极大，会影响人的健康、危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑物和艺术品等。5因为自然界中的宏观过程具有方向性，因此能量在转化过程中，能量的可利用程度是逐渐降低的，即产生能量降退现象，常规能源都是不可再生能源，并且地球上的能源储量有限，所以人类应节约能源。能源与环境1常规能源煤、石油、天然气。2常规能源对环境的影响(1)光化学烟雾：排入大气中的污染物在太阳紫外线照射下发生光化学效应，形成一种毒性很大的二次污染物“光化学烟雾”。(2)温室效应：形成原因：温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的热量平衡造成的。产生的危害：温室效应会导致全球变暖，海平面上升，气候变化，疾病增多等。控制对策：调整能源结构，控制二氧化碳的过量排放，具体实施可从以下两个方面进行：一是提高能源利用率，如改进设备、技术，建立节约能源的消费观等；二是开发新能源，如多使用核能、水能、太阳能、风能等。(3)酸雨：含义：天然降水的pH值小于5.6的降水。产生原因：人为排放的二氧化硫和氮氧化合物在降水过程中溶入雨水形成的，污染物主要来自燃烧含硫的煤炭及机动车排放的废气。产生的危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑和艺术品等。防治措施：a.健全法规，强化管理，控制排放；b.发展清洁煤技术，减少燃料过程SO2的排放；c.通过改造发动机，安装汽车尾气净化气，用无铅汽油代替含铅汽油等手段，控制汽车尾气的排放。3能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例按形成或转换特点分一次能源自然形成，未经加工太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能二次能源由一次能源经加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能按利用技术分常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气、水能新能源正在开发，或有新的利用方式太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能按可否再生分可再生能源可循环使用、不断补充水能、风能、生物质能、地热能不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料按对环境污染情况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、石油、天然气)(1)同一能源按不同的分类方法有不同的名称。(2)新能源与常规能源相比，具有取之不尽、用之不竭且不会污染环境等优点。1下列供热方式最有利于环境保护的是()A用煤做燃料供热B用石油做燃料供热C用天然气或煤气做燃料供热D用太阳能灶供热解析：选D煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能。但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气，而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故答案应选D。能量降退与节约能源1能量降退(1)概念：能量可利用程度降低的现象。(2)对能量降退的理解由于自然界中的宏观过程的方向性，使能量在转化过程中，可利用程度逐渐降低。内燃机不可能把燃料燃烧释放的内能全部用来对外做功，总有散失到环境中的能量，这些能量很难重新利用，可利用程度很低，若用内燃机输出的机械能带动发电机发电，又有一部分机械能转化为发电机的内能，发电机温度升高，把这些内能散失到周围空间，这些弥散的能量可利用程度也很低，由此看来，能量的可利用程度是逐渐降低的。2节约能源的原因(1)煤炭、石油、天然气等常规能源都是不可再生能源，都存在能量降退的现象。(2)随着生产力的飞速发展，能源的消耗急剧增长。(3)地球上的石油、煤炭等能源储藏量有限，能源需求的成倍增长与常规能源的有限性的矛盾将不断引起能源危机。(1)能量降退并不是能量越来越少，能量仍然是守恒的，只是可利用的能量逐渐降低。(2)能量是守恒的，不会减少，但能源是有限的，因此要节约能源。2关于能量和能源，下列说法正确的是()A在能源利用的过程中，能量在数量上并未减少B由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源C能量耗散说明能量在转化过程中不断减少D人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造解析：选A根据能量守恒定律可知，在能源使用过程中，能量在数量上并未减少，故A正确、C错误；虽然总能量不会减小，但是由于能量的品质降低，无法再应用，故还需要节约能源，故B错误；根据能量守恒可知，能量不会被创造，也不会被消灭，故D错误。能源的利用与人类环境例1PM2.5主要来自化石燃料、生物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用能源。关于能源和能量，下列说法中正确的是()A自然界中的石油、煤炭等能源可供人类永久使用B人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源C能量被使用后就消灭了，所以要节约能源D能量耗散说明自然界的能量在不断减少解析煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但不能短期内从自然界得到补充，是不可再生能源，选项A错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生能源且为清洁能源，应该尽量开发与利用，选项B正确；能量虽然守恒，但有些能量使用以后不可能再被利用，所以要节约能源，但能量是不会减少的，也不会被消灭掉，只是形式发生转变，选项C、D错误。答案B借题发挥判断这类问题要注意以下两点：(1)大气污染的主要原因是常规能源的使用。(2)记忆大气污染对气候和生态环境影响最突出的温室效应和酸雨的形成原因及造成的危害。新能源的开发和利用例2氢作为一种清洁能源，正日益受到各国的重视许多汽车厂商正努力研究用氢作为燃料来取代汽油，生产21世纪的“环保”汽车。设有一种燃氢汽车，正常燃烧时的耗氢量为1.2 kg/h，并且在0.01105 Pa的压强下燃烧，氢的燃烧热值为285.8 kJ/mol，则：(1)以氢气为燃料的汽车与目前以汽油为燃料的汽车相比有哪些优点；(2)若燃烧后内能转化为机械能的效率为50%，这辆汽车受到的阻力为1 000 N，问这辆汽车的最大速度为多大？解析(1)氢气汽车以H2为燃料，生成物为H2O，因此无污染。H2燃烧释放的热量值高，使汽车的功率增大。(2)1.2 kg氢气完全燃烧产生的热量为Q285.8 kJ/mol1.7 108 J汽车的功率P，当Ff1 000 N时，汽车达到最大速度，又PFvm则vm m/s23.6 m/s。答案(1)见解析(2)23.6 m/s借题发挥新能源的主要优点是对环境无污染，解题应明确新能源在使用过程中仍遵守能量守恒定律。1某城市人口密度大，汽车等交通工具向对流层大量排放碳氢化合物、氮氧化合物等有害物质，最有可能发生的是()A酸雨B. 臭氧层空洞C光化学烟雾 D温室效应解析：选C氮氧化合物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生二次污染物质化学烟雾，故选C。2煤、石油、天然气和生物质能资源的能量形成和转换利用过程基本上是()A太阳能辐射化学能热能B太阳能辐射机械能电能C生物质能电能化学能热能D太阳能辐射机械能化学能解析：选A太阳能辐射转化成了煤、石油、天然气等的化学能，在对这些能源利用的过程中，又把它们的化学能转化成了热能，故选A。3.“能源分类的相关图”如图所示，四组能源选项中全部符合图中阴影部分能源的是()A煤炭、石油、天然气B水能、生物质能、天然气C太阳能、风能、生物质能D地热能、海洋能、核能解析：选C由能源的分类及各能源的特点，三种不同分类方法中的公共部分为太阳能、风能、生物质能，故C项正确。4多选下面关于热机的说法中，正确的是()A热机是把内能转化为机械能的装置B热机是把机械能转化为内能的装置C只要对热机不断的革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能D即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能将内能全部转化为机械能解析：选AD热机是把内能转化为机械能的装置，A正确，B错误；工作过程中一定有一部分内能排放给低温物体(冷凝器或大气)，即不能把内能全部转化为机械能，C错误， D正确。5下列哪些现象属于能量降退()A电能通过电灯的电阻丝变为光能B利用水流发电变成电能C火炉生火把房间烤暖D电池的化学能转化为电能解析：选CA、B、D选项的能量转化利用程度很高。火炉生火取暖的过程中，有一部分内能以热量的形式传给周围的空气，变为周围环境的内能，这些能量可利用程度降低，即能量降退，C正确。6多选CO2有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间排放，使整个地球就像一个大温室，因此，大气中的CO2浓度增加能使地表温度逐渐上升，全球气候变暖。为缓解大气中的CO2浓度增加，可以采取的措施有()A禁止使用煤、石油、天燃气B开发使用核能、太阳能C将汽车燃料由汽油改为液化石油气D植树种草解析：选BD现阶段人类还必须使用一定量的煤、石油、天然气，它们能提供大量的内能，A错误；减少大气中CO2浓度可多利用不产生CO2的能源，如核能、太阳能，也可让植物进行光合作用多吸收CO2，B、D正确，液化石油气燃烧也会产生CO2，C错误。7酸雨对植物的正常生长影响很大，为了减少酸雨的影响，应采取的措施是()少用煤当燃料燃料脱硫在已经酸化的土壤中加石灰多种植美人蕉、银杏等植物开发新能源多种植法国梧桐、柠檬等植物A BC D解析：选A酸雨主要是由煤、石油等燃料尤其是煤燃烧所释放的SO2和氮氧化物在降水过程中溶入雨水形成的。因而为减少酸雨的影响，少烧煤和燃料脱硫是有效的方法；开发新能源也是减少煤使用量的方法；另外美人蕉和银杏对SO2有较强的吸收能力，所以正确，应选A。8柴油机使柴油燃料在它的汽缸中燃烧，产生高温高压的气体，燃料的化学能转化为气体的内能，高温高压的气体推动活塞做功，气体的内能又转化为柴油机的机械能。燃烧相同的燃料，输出的机械能越多，表明柴油机越节能。是否节能，是衡量机器性能好坏的重要指标。有经验的柴油机维修师傅，不用任何仪器，只要将手伸到柴油机排气管附近，去感知一下尾气的温度，就能够判断出这台柴油机是否节能，真是“行家伸伸手，就知有没有”，关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系，你认为正确的是()A尾气的温度越高，柴油机越节能B尾气的温度越低，柴油机越节能C尾气的温度高低与柴油机是否节能无关D以上说法均不正确解析：选B气体的内能不可能完全转化为柴油机的机械能，柴油机使柴油燃料在它的汽缸中燃烧，产生高温高压的气体，是一个高温热源；而柴油机排气管排出的尾气是一个低温热源。根据能量守恒，这两个热源之间的能量差就是转换的机械能，燃烧相同的燃料，要想输出的机械能越多，尾气的温度就要越低。故B正确。9某地强风速度为14 m/s，设空气密度为1.3 kg/m3，通过横截面积为400 m2的风全部使风力发电机转动，其动能有20%转化为电能，则发电的功率为多大？(取2位有效数字) 解析：在t时间强风作用于发电机，发电机获得的动能Ekmv2发电的功率Pmv2/tSvtv2/t0.20.51.3400143 W1.4105 W。答案：1.4105 W10某市有20万台空调机，每台空调机在夏季平均使用60天，每天耗电8 kWh。为了节约能源，该市政府建议大家都把室内设定温度提高1，这样每台空调机每天可节省6%的电能。那么这样做能使该市节省多少电能？已知标准煤的热值是2.92107 J/kg。发电厂的发电效率是30%。请计算一下，这项节能建议的实现能为我们后辈留下多少吨标准煤？解析：设可节省的电能为E，则E86%6020104 kWh5.76106 kWh2.11013 J设可为后辈多留标准煤为m吨，则由能量守恒定律有2.92107m10330%E解得m2.4103 t。答案：2.11013J2.4103 t11太阳每年辐射到地球上的能量可达1018 kWh。(1)如果太阳辐射到地球上的能量全部用来推动热机发电，能否每年发出1018度电？(2)试估算太阳每年释放出的能量。(地球到太阳的距离r1.51011 m，地球的半径R6.4106 m)解析：(1)若用到达地球的能量推动热机发电，由热力学第二定律可知，发电量必小于1018度。(2)太阳向四面八方辐射能量，地球仅是“四面八方”中的一个“小元”，地球到太阳的距离为r1.51011 m，地球的半径为R6.4106 m，所以太阳辐射的总能量为Qqq1018 kWh2.21027 kWh。答案：(1)不能(2)2.21027 kWh