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1、第二十二章 能源与可持续发展 第 节能源 1 人类利用能源的历程2 21世纪的能源趋势 第二十二章能源与可持续发展 一 人类利用能源的历程 1 火的使用 熟食 取暖 制陶瓷器皿 冶炼金属 制作工具 2 化石能源的使用 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 像化石能源这样可以直接从自然界获得的能源 我们称为一次能源 风能 水能 太阳能 地热能以及核能等均属于一次能源 蒸汽机的利用 人类进入工业化社会 3 电能的利用 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 但是因为电能方便运输和转化
2、 所在是现代化发展不可或缺的能源 二 21世纪的能源趋势 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 如果把全世界的能源消耗量折合成煤来计算 1950年为26亿吨 1987年为110多亿吨 2003年接近140亿吨 2007年达到160亿吨 已探测的数据表明 目前作为人类主要能源的化石能源储量并不丰富 而且化石能源开发利用后就不能再生 如果长期大规模开采 不久的将来会消耗殆尽 所以开发新能源 更好的利用已知能源 是全球范围内的重要课题 20世纪40年代 科学家发明了可以控制的核能释放装置 拉开了以核能为代表的新能源利用序幕 第2节核能 1 核能2 裂变3 聚变 第二十二章能源与
3、可持续发展 背景介绍 我国用了短短4年时间完成了原子弹的研制工作 并于1964年10月16日成功地爆炸了第一颗原子弹 1967年6月17日又成功地爆炸了第一颗氢弹 完成了其他国家要十几年或几十年才完成的工作 背景介绍 背景介绍 我国第一颗原子弹 我国第一颗氢弹 原子弹和氢弹为什么会具有这么大的威力呢 背景介绍 1 原子结构 H2O分子 以水分子为例 它由一个氧原子和两个氢原子组成 一 核能 原子由原子核和核外电子组成 1 氢原子由原子核和一个核外电子组成 原子核有一个质子 质子带正电荷 核外电子带负电荷 二者电荷量相同 2 氧原子由原子核和八个核外电子组成 原子核有八个质子和八个中子 由于中子
4、不带电 所以正负电荷量仍然相同 原子 原子核 原子是由原子核和核外电子组成 原子核 电子 原子 原子核 质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合时 就有可能释放出惊人的能量 这就是核能 2 核能 质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起 要使它们分裂或结合都是极其困难的 获取核能方式有两种 即裂变和聚变 1938年 科学家用中子轰击质量比较大的铀235原子核 使其发生了裂变 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 用中子轰击铀核 铀核才能发生裂变 放出能量 外界中子停止轰击 裂变也就停止了 怎样才能让裂变继续下去呢 1 发生裂变的条件 二 裂变 那么 地球
5、上的能源是否是无尽的呢 将火柴搭成左下图所示结构 点燃第一根火柴后 会发生什么 2 链式反应 用中子轰击铀235原子核 铀核在分裂时 会释放出核能 同时还会产生几个新的中子 这些中子会继续轰击其他铀核 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 想想议议 链式反应如果不加以控制 大量原子核就在一瞬间发生裂变 释放出极大的能量 在人类实现可控核裂变大约三年后 即1945年 利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器 原子弹爆炸了 不可控核裂变 原子弹爆炸 原子弹爆炸 被原子弹毁坏的建筑物 设疑 核能巨大 难道只能用于战争吗 如何才能有效地控制核能的释放 原子弹爆炸 核弹头
6、核电站的核心设备是核反应堆 核反应堆是原子核发生链式反应的场所 1942年 人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变 目前 全世界已经建成了几百座核电站 核电发电量接近全球发电量的1 5 3 核电站利用核能发电 浙江嘉兴杭州湾秦山核电站 将质量较小的原子核结合起来 也会释放出巨大的核能 氦核 中子 氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子 能释放大量核能 这一过程就是聚变 三 聚变 能量 聚变 聚变 科学家们发现 某些质量较小的原子核结合成质量较大的原子核时 也能释放出核能 这种现象叫做核聚变 简称聚变 聚变是获得大量核能的另一重要途径 前面讲过 原子弹是利用重核裂变现象制成的 而另一种
7、威力更大的核武器 氢弹 则是利用轻核聚变现象制成的 聚变 氢弹 根据核聚变的原理制成 威力比原子弹还大 不可控核聚变 氢弹的爆炸 聚变 可惜人们现在还不能像控制裂变那样控制聚变 科学家们预言 通过可控制的聚变来利用核能 有望彻底解决人类能源问题 这个问题由谁来解决呢 会是你吗 聚变 核能的优缺点 优点 1 核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中 属于清洁能源 2 核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳 3 核能发电所使用的铀燃料 除了发电外 没有其他的用途 4 运输与储存方便 一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30吨的铀燃料 5 燃料费用所占的比例较低 发电成本较其他发电
8、方法为稳定 缺点 1 核能电厂使用的核燃料及废料有放射性 必须慎重处理 2 核能发电厂热效率较低 故核能电厂的热污染较严重 3 核能电厂投资成本太大 4 核电厂较易引发政治歧见纷争 5 核电厂的反应器内有大量的放射性物质 如果因发生事故释放到环境中 会对生态及民众造成伤害 核能的优缺点 第3节太阳能 1 太阳 巨大的 核能火炉 2 太阳是人类能源的宝库3 太阳能的利用 第二十二章能源与可持续发展 一 太阳 巨大的 核能火炉 结构特点 太阳内部的温度高达1千万摄氏度以上 在那里就进行着大规模的核聚变反应 太阳辐射出的光和热正是由聚变反应释放的核能转化而来的 产生本质 一 太阳 巨大的 核能火炉
9、能源之母 二 太阳是人类能源的宝库 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 地壳的运动 在高压下渐渐变成了石油和煤 在石油形成过程中还放出天然气 煤 石油和天然气的形成 石油 天然气的形成 煤的形成 光热转换 太阳能热水器 太阳灶 三 太阳能的利用 热水 冷水 水箱 集热器 太阳光 集热器的原理 光电转换 太阳能电池及原理 1887年 赫兹 M Hertz 首次发现的光照能使半导体材料的不同部位之间产生电压 这种现象后来被称为 光伏效应 三 太阳能 利用途径 1954年美国贝尔实验室
10、制成了世界上第一个实用的太阳能电池 现在广泛应用于微波通讯基站 电台 野外活动 高速公路 也可为无电山区 空间站提供电力 光电转换 三 太阳能 利用途径 第4节能源与可持续发展 第二十二章能源与可持续发展 1 能量转移和能量转化的方向性2 能源消耗对环境的影响3 能源与可持续发展 一 能量转移和能量转化的方向性 汽车制动时 由于摩擦 动能转化成了轮胎 地面和空气的内能 这些消耗的能量不能再自动地用来驱动汽车 能量的转移和转化是有方向性 不可逆的 我们可利用的资源是有限的 所以要节约能源 二 能源消耗对环境的影响 热岛效应 温室效应 大气污染 雾霾 酸雨 能源分类 是否可再生分 产生方式分 一次
11、能源 二次能源 可再生能源 不可再生能源 可以从自然界直接获得的能源 由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品 可以从自然源源不断地得到的能源 一旦消耗完就不能再生的能源 如 煤 石油 天然气 核能 三 能源与可持续发展 如 煤 石油 天然气 核能 风能 水能 太阳能 地热能 如 电力 蒸汽 煤气 汽油 柴油 重油 液化石油气 酒精 沼气 氢气和焦炭 如 太阳能 水力 风力 生物质能 波浪能 潮汐能 海洋温差能 化石能源 生物质能 如 煤 石油 天然气 由生命物质提供的能量 未来的理想能源必须具备以下几个特点 1 必须足够丰富 可以保证长期使用 2 必须足够便宜 保证多数人用得起 3 相关技术必须成熟 保证大规模使用 4 必须足够安全 清洁 保证不会影响环境 秉承可持续发展的思想 开发和探索各种新能源是人类未来进一步发展所要解决的重要课题
