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1、授课教师：陈静艳,路北区名师、中学高级教师、,唐山市路北区教育局名师课堂,第十一章 物理学与能源技术,能量转化的方向性和效率,能量守恒定律,能源,核能,能源开发与可持续发展,能量守恒定律,1.能量守恒定律,1、你能说出下面物体都具有什么形式的能量吗？,运动的足球,煤,阳光照射,烫手的暖气,核电站,电流,一、能量以及不同能量之间的相互转化,2、各种形式的能可以互相转化,机械能转化为内能,机械能转化为电能,电能转化为机械能,水电站里水轮机带动发电机发电,钻木取火,不同形式能量的相互转化,电风扇运转,光能转化为电能,化学能转化为内能,光能转化为化学能,植物吸收太阳光 进行光合作用,燃料燃烧时发热,光
2、太阳能电池,结合图中给出的实例，你能做些补充吗？,电能在现代生活中具有重要的地位,（1）拿一个弹力小球由手中释放，观察小球的运动情况。,（2）结合小球在地面弹跳的频闪照片，想一想，为什么它的高度会逐渐降低？是否丢失了能量？减少的机械能到哪去了？,二、能量守恒定律,想想议议,实验和事实证明：能量既不能创造，也不会消灭；当能量从一个物体转移到其他物体或从一种形式转化为其他形式时，总量不变。这称为能量守恒定律。,能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。所有能量转化和转移过程，都遵守能量守恒定律。,能量守恒定律,有人曾设想制造一种不需要动力就能源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫永动机
3、。,这种机器有可能制成吗？为什么？,永动机是不可能实现的,事实证明：能量在转化过程中只要有运动，摩擦就是不可避免的，从而产生热，这样运动的能量就会减小，如果不补充能量，运动就会停止。永动机违背能量守恒定律，是不可能研制成功的。,能量以及不同能量之间的相互转化,能量守恒定律,能量转化的方向性和效率,如同水总是自发地从高处往低处流，能量的流向也并不是随意的。,一、能量转化的方向性,这 些情形可能吗？,我们从石油中提炼出汽油，内燃机把能源中储备的化学能转化为汽车的机械能、内能。,这些机械能、内能无法再转化回可以被利用的能源。,火力发电厂把煤中贮存的化学能转化为电能，供生产和生活用。,用电器将电能转化
4、为内能、光能、机械能多种形式的能后，这些能量无法再变回能源。,汽车制动时，由于摩擦，动能转化成轮胎、地面和空气的内能，这些消耗的能量不能再自动地被用来驱动汽车。,能量转化中的效率,这些愿望能实现吗： 烧水时将天然气燃烧产生的热量完全传递给水壶中的水？ 使用电梯时每消耗1度的电能完全转化成人或物体的势能？ 骑自行车时我们消耗的每一分体能全部转化自行车和人的动能？,不能,在所有能量利用的过程中，能量损耗不可避免,二、能量转化中的效率,输入能量：天然气完全燃烧释放出的化学能； 输出有效能量：水吸收的那部分能量； 输出无效能量：散发到大气、壶体中的那部分能量； 输入能量=输出有效能量+输出无效能量,以
5、烧水为例,能量转化效率=输出有效能量/输入能量,1、【电热水壶烧水】：如功率为100W的电热水壶正常工作28分钟，可将4Kg水从20加热到100，其效率多大？,2、【锅炉烧水】：如某锅炉将100Kg水从32加热到100，需要燃烧3.36Kg热值为 3.4 107J / Kg 的无烟煤，其效率多大？,3、【太阳能热水器】：如有一总集热面积为1.35m2的热水器10h可将100Kg水从20加热到80，而每m2每小时地球表面接收的太阳能为 3.6 106J，其效率多大？,4、 【热机】. 某新款汽车发动机输出功率为69Kw，1h耗油20Kg（汽油热值为 q = 4.6 107J / Kg），其效率多
6、大？,能量转化的方向性,能量转化中的效率,能源,能为人类提供某种形式能量的物质资源就叫能源。 金属的冶炼、机器的运转、汽车和火车等交通工具的行驶需要能量，生活中烧饭、取暖、照明等也需要能量。 生产和生活中利用的这些能量，是通过不同的能源提供的。各种能源的广泛利用，极大地促进了人类文明的发展。,我们的生活中都用到哪些能源呢？,钻木取火这项技术的出现，使人类实现了从利用自然火到利用人工火的转变。开启了人类以柴薪为主要能源的时代。,柴薪主要通过砍伐森林获得，大面积的砍伐森林严重破坏地球的生态平衡。同时由于燃烧柴薪获取能量的效率较低，人类仍需要开发其他的能源。,人类利用能源的历程,蒸汽机的发明令人类成
7、功地将燃烧获取的内能转化为机械能。实现了以机械动力大规模代替人力和畜力的新时代，人类的主要能源从柴薪转向热值更高的煤。,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。这三种能源是当今世界一次能源的三大支柱。,（1）能直接从自然界获取的能源称为一次能源。,煤,石油,风能,地热能,水能,一、能源的分类,1、一次能源和二次能源,（2）由一次能源经过加工得到的能源称为二次能源。,汽油、柴油,风力发电,水力发电,太阳能发电,地热发电,2、常规能源和新能源,（1）常规能源：当前被广泛利用的一次能源,如：化石能源,（2）新能源：目前尚未广泛利用而正在积极研究以便推
8、广的一次能源,如：太阳能，地热能，潮汐能等,（1）不可再生能源：须经地质年代才能形成，不可能在短期内从自然界得到补充,（2）可再生能源：可以在自然界里源源不断地得到,如：化石能源、核能,如：水能、风能、太阳能、生物质能,3、不可再生能源和可再生能源,一 次 能 源,化石能源,核能,太阳能,地热能,水能,风能,天然气,石油,煤,电能,柴油,汽油,二 次 能 源,可 再 生 能 源,不 可 再 生 能 源,地球上不可再生能源情况,二、世界能源储量及需求,世界能源储量及需求,人类对能源需求情况,研究开发新能源，以减少对传统能源的依赖程度，是世界各国面临的重要任务。,能源的 分类,核能,一、原子核 核
9、能, 核能：在原子核发生变化时放出的能量., 获得核能的两条途径是：,（1）重核的裂变,（2）轻核的聚变,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。 1 kg铀全部裂变，释放的能量超过2 000 t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、核裂变能及其利用,裂变：重原子核分裂成较轻的原子核，叫做裂变,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
10、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。,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,核反应堆有厚厚的保护层，这是为什么呢？原来，用于核反应的燃料，是具有强烈放射性的物质，能够发出射线。如果没有足够的保护措施，这些射线会对人体健康造成严重伤害。对于辐射强度超过国家标准的放射性物质，一定要防止其扩散，人体切莫随便靠近；在放射性实验室中，要用铅板、有机玻璃等材料做好隔离
11、防护。,核辐射标志,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。,轻原子核结合成较重的原子核，也会释放出核能，这种核反应叫做聚变。,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、核聚变,氦核,中子,能量,聚变,聚变又叫热核反应,一个氘核由一个质子和一个中子组成，一个氚核由一个质子和二个中子组成，它们发生聚变反应结合成由二个质子和二个中子组成的氦核时，要放出一个中子，并释放出核能。 一定质量的氘核和氚核聚变时放出的能量要比等量的铀核裂
12、变时放出的能量大几倍。 聚变需要在几百万摄氏度的高温下才能发生，因此聚变又叫热核反应。,自然界中的热核反应,自然界中，太阳内部的 温度高达摄氏1千万摄 氏度以上，在那里就进 行着大规模的聚变反应。 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。可以说，地球上的人类每天都享用着聚变释放出的能量。,核裂变和核聚变的区别,较大原子核分裂为较小原子核的过程,质量小的原子核结合成较大原子核的过程,中子轰击较大原子核,超高温,巨大,更加巨大,裂变的链式反应可控,聚变目前不可控,原子弹、核电站,氢弹、太阳 内部爆炸,核 能,裂 变,聚 变,1.核电站是由反应堆、汽轮机、发电机三部分组成在核电站发
13、电过程中，能量转化顺序正确的是（ ） A核能机械能内能电能 B核能内能机械能电能 C内能核能机械能电能 D电能机械能内能核能,B,2.关于核能的下列说法中正确的是（ ） A核电站是利用轻核聚变反应产生的能量来发电的 B核能的和平利用必须对核反应要可控制 C原子弹是利用轻核聚变制成的核武器 D核电站可将核能直接转化为电能,B,能源开发与可持续发展,能源利用中的问题及相应对策,1、能源利用中的问题及相应对策,（1）能源危机：传统能源煤、石油、天然气随着不断开采会逐渐枯竭，人们称其为“能源危机”。 （2）环境问题：能源利用中硫化物、碳氧化物和粉尘的大量排放对环境及生态造成破坏。 （3）能源安全问题：
14、由于突发事件引起的能源的短缺或能量供应的中断，这称为能源利用的安全问题。,要解决能源问题： （1）节约能源，注重技术创新，提高能源利用率，减少废气、废物排放的污染因素。 （2）开发核能、太阳能、风能、地热能等清洁型能源，加强能源利用中的防护措施，提高能源使用的安全性。,新能源的开发与利用,1.核能的开发与利用,芜湖核电站,广东大亚湾核电站,1、新能源的开发和利用,直接利用太阳能的方式主要有两种。,用集热器收集阳光中的能量来加热水等物质。实现了把太阳能转化为内能。,（1）光热转化,2.太阳能的开发与利用,太阳能电池可以将太阳能转变为电能； 在航空、航 天、交通、通信等领域中有较为广泛的应用。,（
15、2）光电转化,太阳能发电站,2010年，上海世博会中国馆采用了大量先进的太阳能科技，整座世博园的太阳能发电装置每年预计节电约420 万千瓦时，减排二氧化碳约4 100 吨。,能源易获取,不排放CO2,能源量大,可持续性强,能源分散,受自然条件限制,转化效率低,成本较高,太阳能技术的优缺点,3.地热能的开发与利用,目前，世界各国的地热研究机构有500多个，针对不同的地热类型（水热型、低压型、热干岩型、岩浆型）采用不同的研究方法。各国地热资源的开发与利用，正因地制宜地广泛展开，前景十分广阔。,3.地热能的开发与利用,目前，世界各国的地热研究机构有500多个，针对不同的地热类型（水热型、低压型、热干
16、岩型、岩浆型）采用不同的研究方法。各国地热资源的开发与利用，正因地制宜地广泛展开，前景十分广阔。,4.其他新能源的开发与利用,风能发电,海洋能发电,氢燃料发动机汽车,1必须足够丰富，可以保证长期使用； 2必须足够便宜，可以保证多数人用得起； 3相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用； 4必须足够安全、清洁，以保证不会严重影响环境。,能源利用中的问题及相应对策,新能源的开发与利用,太阳能是人类优先开发和利用的新能源之一，关于太阳能的利用，下列说法正确的是（ ） A图甲中，绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能 B图乙中，太阳能热水器通过做功方式将太阳能转化为水的内能 C图丙中，太阳能交通信号灯将太阳能直接转化为信号灯的光能 D图丁中，首架环球航行的太阳能飞机将太阳能直接转化为飞机的机械能,A,
