第十八章能源與可持續(xù)發(fā)展

第一節(jié)能源利用與社會(huì)發(fā)展1、能源在人類社會(huì)的發(fā)展中占據(jù)重要地位，它是人類社會(huì)發(fā)展的基本條件，是發(fā)展農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)技術(shù)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源開發(fā)利用的廣度和深度是衡量一個(gè)國(guó)家的科技和生產(chǎn)水平的主要標(biāo)志之一。能源、材料、信息是人類發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)。2、能源科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破，都引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，化學(xué)在能源的研究和利用過程中扮演重要角色。能源發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期：A、柴草時(shí)期：火的發(fā)現(xiàn)－18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命，用于燒制陶瓷和冶煉金屬；B、煤炭時(shí)期：13世紀(jì)開采，18世紀(jì)中大規(guī)模開采，1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，產(chǎn)生第一次產(chǎn)業(yè)革命；C、石油時(shí)期：60年代超過煤。三次重大突破A、發(fā)明蒸汽機(jī)，產(chǎn)生第一次產(chǎn)業(yè)革命；B、電力發(fā)明使人們的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)入電氣時(shí)期；C、原子能發(fā)明使人類進(jìn)入開發(fā)和利用核能的新紀(jì)元。能源：凡是能提供能量的物質(zhì)資源都叫能源能源發(fā)展歷史：(1)火的利用（2）化石能源的利用（3）電能的利用（4）核能的發(fā)現(xiàn)能源的分類1.從來源上分來自地球以外天體（主要是太陽輻射能）煤、石油、天然氣等風(fēng)能、水能草木燃料生物質(zhì)能沼氣地球本身蘊(yùn)藏的能源：地球與其他天體相互作用產(chǎn)生的能源：原子核能地?zé)崮艹毕?．按能源的利用，即可否被廣泛利用，可分為2、按能源原有形態(tài)是否改變，可將能源分為一次能源：太陽能,風(fēng)能,水能,石油,草木燃料,煤,潮汐能,

天然氣二次能源：(由一次能源加工轉(zhuǎn)換):電能,蒸汽,汽油等3．按能源能否“再生”，即自然界能否源源不斷的提供，可將能源分為可再生能源：太陽能,風(fēng)能,水能,氫能,草木燃料,潮汐能等非再生能源：電能,核能,煤,汽油,天然氣等非常規(guī)能源(新能源):太陽能,風(fēng)能,氫能,核能,潮汐能等常規(guī)能源：水能,電能,草木燃料,煤,汽油,天然氣此外，能源還可分為清潔能源和非清潔能源等。第二節(jié)核能復(fù)習(xí)提問1、原子核是由什么組成？是由質(zhì)子和中子組成的

原子核發(fā)生變化時(shí)，能量有什么變化呢？一、核能開發(fā)的歷史進(jìn)程1.1919年，英國(guó)盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，使其嬗變成氧原子。2.1932年，查得威克發(fā)現(xiàn)中子3.1934年，法國(guó)約里奧－居里夫婦用α粒子轟擊鋁，產(chǎn)生了一個(gè)磷的同位素，但很快放出正電子蛻變?yōu)楣琛?.盧瑟福（1933）和愛因斯坦（1935）均沒有意識(shí)到原子能的實(shí)際利用近在眼前。核能開發(fā)的歷史進(jìn)程1.1934年，意大利物理學(xué)家費(fèi)米用中子轟擊原子核，并發(fā)現(xiàn)通過石蠟減速之后的慢中子，裂核能力更強(qiáng)。費(fèi)米因此獲38年諾貝爾物理獎(jiǎng)。2.1938年，德國(guó)哈恩發(fā)現(xiàn)鈾嬗變后出現(xiàn)的新元素與鈾相距甚遠(yuǎn)。奧地利女物理學(xué)家邁特納提出核裂變猜想，以解釋鈾實(shí)驗(yàn)。并稱裂變過程要放出大量能量。3.費(fèi)米提出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)概念。4.1939年9月1日，第二次世界大戰(zhàn)正式打響核能開發(fā)的歷史進(jìn)程1.1934年，意大利物理學(xué)家費(fèi)米用中子轟擊原子核，并發(fā)現(xiàn)通過石蠟減速之后的慢中子，裂核能力更強(qiáng)。費(fèi)米因此獲38年諾貝爾物理獎(jiǎng)。2.1938年，德國(guó)哈恩發(fā)現(xiàn)鈾嬗變后出現(xiàn)的新元素與鈾相距甚遠(yuǎn)。奧地利女物理學(xué)家邁特納提出核裂變猜想，以解釋鈾實(shí)驗(yàn)。并稱裂變過程要放出大量能量。3.費(fèi)米提出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)概念。4.1939年9月1日，第二次世界大戰(zhàn)正式打響核能開發(fā)的歷史進(jìn)程1.1940年，美國(guó)政府正式大量撥款，啟動(dòng)“曼哈頓工程”，格羅夫斯將軍為行政首腦2.1941年12月－1942年12月，費(fèi)米在芝加哥研制原子反應(yīng)堆3.鈾235、钚239的提純4.1943年1月－1945年7月。奧本海默在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯主持原子彈研制。5.7月16日凌晨5時(shí)30分，第一顆鈾原子彈試爆成功。比一千個(gè)太陽都亮。6.曼哈頓工程：動(dòng)員50萬人，耗費(fèi)22億美元，占用全國(guó)三分之一的電力核能開發(fā)的歷史進(jìn)程1.1944年底，盟軍的特工小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)德國(guó)造不出原子彈2.科學(xué)家的猶豫：繼續(xù)干嗎？缺乏政治和道義上的支持不干嗎？不符合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的精神好的理由：應(yīng)該讓全人類知道它的威力3.齊拉德、愛因斯坦的態(tài)度4.1945年8月6日，鈾彈小男孩投到廣島；8月9日，钚彈胖子投在長(zhǎng)崎核能開發(fā)的歷史進(jìn)程1.核軍備競(jìng)賽：盟國(guó)之爭(zhēng)2.45年8月，斯大林下令抓緊研制原子彈3.1949年8月，蘇聯(lián)成功地進(jìn)行了核實(shí)驗(yàn)4.1952年11月1日，美國(guó)試爆第一顆氫彈5.1953年8月，蘇聯(lián)研制氫彈成功6.1952年10月3日，英國(guó)研制成功原子彈7.1960年2月13日，法國(guó)研制成功钚彈8.1964年10月16日，中國(guó)試爆成功原子彈1.1公斤核燃料相當(dāng)于2500噸煤2.1954年，蘇聯(lián)建成第一座小型原子能電站；1956（英國(guó)），1957（美國(guó)）3.核電站：成本低、污染小、效率高，但事故太可怕4.1986年4月26日切爾諾貝利核電站第4號(hào)機(jī)組發(fā)生爆炸。人為造成三道安全措施無效5.1979年3月28日三里島核電站二號(hào)堆事故，由于多重安全系統(tǒng)發(fā)揮作用，后果不嚴(yán)重6.核聚變核能開發(fā)的歷史進(jìn)程一、核能－－－原子核發(fā)生改變所產(chǎn)生的能量獲得核能有兩種途徑1、裂變2、聚變－質(zhì)量較大的原子核在中子轟擊下分裂成2個(gè)新原子核，并釋放能量的過程是使２個(gè)質(zhì)量較小的原子核結(jié)合成較大的新核，并釋放能量的過程例：原子彈例：氫彈

太陽－－鏈?zhǔn)椒磻?yīng)－－熱核反應(yīng)3、聚變威力更大(1)裂變科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾235時(shí)，鈾核會(huì)分裂成大小差不多的兩部分，這種現(xiàn)象叫做裂變.1kg鈾中的鈾核如果全部發(fā)生裂變，釋放出的能量大約相當(dāng)于2500t的標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所放出能量.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)用中子轟擊鈾核，使鈾核發(fā)生裂變，放出能量.鈾核分裂時(shí)，還同時(shí)放出2～3個(gè)中子，又可以轟擊其它鈾核，使它們也發(fā)生裂變.這些鈾核分裂時(shí)，同樣放出中子，從而引起更多的鈾核發(fā)生裂變.于是裂變反應(yīng)便會(huì)鏈鎖式地自行持續(xù)下去.這種現(xiàn)象叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng).如果對(duì)裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不加控制，在極短時(shí)間（約百萬分之幾秒）會(huì)釋放出大量核能，發(fā)生猛烈爆炸，原子彈就是根據(jù)這個(gè)原理制成的.核反應(yīng)堆為便于和平利用核能，必須控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能緩慢而又平穩(wěn)地釋放出來.為此，人們制成了一種專門裝置——核反應(yīng)堆.核反應(yīng)堆能緩慢、平穩(wěn)地釋放核能.設(shè)疑：核能這么巨大，難道只能用于戰(zhàn)爭(zhēng)嗎?如何才能有效地控制核能的釋放？二、核能的和平利用――核電站如果使原子核的裂變和聚變?cè)诳煽刂频臈l件下緩慢進(jìn)行，釋放的核能就可有效地利用。核能的和平利用――核電站

思考：在電站工作過程中，能是如何轉(zhuǎn)化的？核能→內(nèi)能→機(jī)械能→電能核能的和平利用――核電站

二、核能的和平利用－－核電站1、能量轉(zhuǎn)化：核能內(nèi)能機(jī)械能電能2、我國(guó)第一座自行設(shè)計(jì)建造的核電站：－－秦山核電站3、存在的問題：－－放射性污染核電站的廢物處理系統(tǒng)放射性物質(zhì)的標(biāo)志（2）聚變科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，某些質(zhì)量較小的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核時(shí)，也能釋放出核能，這種現(xiàn)象叫做核聚變，簡(jiǎn)稱聚變.聚變是獲得大量核能的另一重要途徑.前面講過，原子彈是利用重核裂變現(xiàn)象制成的.而另一種威力更大的核武器——?dú)鋸?，則是利用輕核聚變現(xiàn)象制成的.氫彈――根據(jù)核聚變的原理制成。威力比原子彈還大。聚變又叫熱核反應(yīng)一個(gè)氘核由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成，一個(gè)氚核由一個(gè)質(zhì)子和二個(gè)中子組成，它們發(fā)生聚變反應(yīng)結(jié)合成由二個(gè)質(zhì)子和二個(gè)中子組成的氦核時(shí)，要放出一個(gè)中子，并釋放出核能.一定質(zhì)量的氘核和氚核聚變時(shí)放出的能量要比等量的鈾核裂變時(shí)放出的能量大幾倍.聚變需要在幾百萬攝氏度的高溫下才能發(fā)生，因此聚變又叫熱核反應(yīng).自然界中的熱核反應(yīng)自然界中，太陽內(nèi)部的溫度高達(dá)攝氏1千萬度以上，在那里就進(jìn)行著大規(guī)模的聚變反應(yīng).太陽輻射出的光和熱，正是由聚變反應(yīng)釋放的核能轉(zhuǎn)化而來的.可以說，地球上的人類每天都享用著聚變釋放出的能量.

第三節(jié)太陽能太陽能利用概況和特點(diǎn)太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1367kw/m2。地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/m2，相當(dāng)于有102,000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。

太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤

(它是人類的“能源之母”）它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：①無枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。⑧隨處可取1、太陽能取之不竭，使用方便，能再生，無污染。以太陽能的利用為主的可再生能源潛力極大，據(jù)天文物理學(xué)家的計(jì)算表明，太陽系還能存在45億年，每年太陽提供的能量是世界人口商品消費(fèi)量的1.5萬倍。（每秒鐘相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即5.2×1023KW.h/s，其中1／22億傳到地球，2.8×1024J/a，為目前人類所需能量1萬倍）（1）光－熱轉(zhuǎn)換?；驹恚菏固柟饩奂?，用來加熱一些物體獲熱能。裝置：A、平板型集熱器如太陽能熱水器；B、拋物面型反射聚光器如太陽能聚光灶，太陽爐。轉(zhuǎn)換形式太陽能熱水器6000萬平方米我國(guó)十五發(fā)展目標(biāo)

（2）光－電轉(zhuǎn)換基本原理：利用“光－電效應(yīng)”；裝置：太陽能電池如硅電池（轉(zhuǎn)換效率13－20％）；存在問題：成本高，受晝夜、天氣影響，難以大規(guī)模使用；目標(biāo)：沙漠地帶鋪設(shè)帶有硅電池的集光板。若能利用撒哈拉大沙漠全部輻射能的1％，足以供給全世界，我國(guó)第一座建在甘肅省。太陽能發(fā)電站光伏發(fā)電達(dá)8萬千瓦我國(guó)十五發(fā)展目標(biāo)

（3）光－化學(xué)轉(zhuǎn)換是利用太陽能的最主要、最根本方式。綠色植物的光合作用，但不能完全受人控制。

CO2＋H2O→糖＋O2其核心化合物是葉綠素。目標(biāo)：尋找各種“完全可控的”光－化學(xué)轉(zhuǎn)換方法如模擬光合作用。設(shè)想：建立“宇宙太陽能站”來收集陽光?！巴娇臻g站”（距地面35600千米）太陽能→電能→微波→地面接收站→電能第四節(jié)能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律兔子吃草草人吃兔子太陽太陽能草的能量兔子的能量人或其他動(dòng)物能量光合作用兔子吃草人或其他動(dòng)物吃兔問題1、豆子的生長(zhǎng)是否可逆？電影技術(shù)能否做到？問題2、你能否再舉一例？問題3、火爐把自己的內(nèi)能傳遞給房間里的空氣，供人取暖；到了春天，能否把這些內(nèi)能重新收集起來，來年再用？問題4、汽車制動(dòng)，由于摩擦，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為地面和空氣的內(nèi)能，這些能量能夠自動(dòng)開汽車嗎？問題：能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化有一定的方向性。說說木材燃燒過程的能量轉(zhuǎn)化?可以逆向轉(zhuǎn)化嗎?熱水袋在使用過程能量如何變化?可以逆向轉(zhuǎn)移嗎?能量的轉(zhuǎn)化鉆木取火水力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電太陽能發(fā)電光合作用原子彈爆炸機(jī)械能-->熱能水能

-->電能風(fēng)能

-->電能太陽能-->電能太陽能-->化學(xué)能核能

-->熱能能量轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)化的方向性能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有______的，在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中__________，因此不是什么能量都可以利用，能量的利用是有_______的，也是有_____的。方向性利用能量條件代價(jià)能量守恒定律能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)創(chuàng)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而能的總量保持不變。

能量既不會(huì)

，也不會(huì)

，它只會(huì)從一種形式

為另一種形式或從一個(gè)物體

到另一個(gè)物體。而能的總量

。消滅創(chuàng)生轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變總結(jié)：“消耗能量”“利用能量”“獲得能量”的實(shí)質(zhì)是：能量相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：永動(dòng)機(jī)永動(dòng)機(jī)”制造一直失敗的原因是：它違背了：能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律

下列說法中錯(cuò)誤的是：

A、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律只適用于物體內(nèi)能的變化B、只要有能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，就一定遵從能量守恒定律C、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器D、任何一種形式的能在轉(zhuǎn)化為其它形式的能的過程中，消耗多少某種形式的能量，就能得到多少其它形式的能量，而能的總量保持不變

A遵循能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的事件是否一定會(huì)發(fā)生呢？第五節(jié)能源與可持續(xù)發(fā)展能量轉(zhuǎn)換裝置的效率計(jì)算公式：什么叫熱機(jī)效率？怎樣提高熱機(jī)效率？能源危機(jī)與環(huán)境污染1.為什么人類社會(huì)發(fā)展會(huì)有能源危機(jī)的發(fā)生？

①常規(guī)能源儲(chǔ)量有限，開發(fā)不合理，浪費(fèi)嚴(yán)重；②人類社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的需求日益增加；③新能源的開發(fā)和利用需要解決一系列技術(shù)問題2.能源的大量使用給人類的生存環(huán)境帶來了哪些問題？①酸雨②溫室效應(yīng)③臭氧層的破壞④土壤酸性化⑤生態(tài)平衡的破壞……能源危機(jī)和能源利用對(duì)環(huán)境所造成的污染與破壞已成為人類共同關(guān)注的世界性問題?；痣姀S火電廠給環(huán)境帶來的污染被酸雨毀壞的森林節(jié)能和提高能量利用效率是最主要的。解決能源危機(jī)的措施有開發(fā)和使用新技術(shù)。如發(fā)電，我國(guó)發(fā)電終端平均能效只有30%，如果采用IGCC（整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電）、超臨界發(fā)電技術(shù)、增壓循環(huán)流化床等技術(shù)，現(xiàn)已可提高到36-46%，今后幾年有可能達(dá)到56-60%。其中也有大量化學(xué)問題要解決，多學(xué)科交叉。提高使用清潔能源（如天然氣）的比率。使用更多的‘可再生’能源（水力、風(fēng)力、潮汐、地?zé)幔?。使是用新能源。太陽能、氫能。核能燃料電池技術(shù)1、化石燃料的有效與清潔利用；2、適度發(fā)展核能；3、開發(fā)新能源；4、改變能源轉(zhuǎn)換途徑。

新能源是相對(duì)于傳統(tǒng)的能源來說的，根據(jù)聯(lián)合國(guó)1981年內(nèi)羅畢會(huì)議精神，新能源可定