2019-2020学年高中物理 第3章 热力学基础 第5节 能源与可持续发展 第6节 研究性学习能源

第五、六节能源与可持续发展研究性学习——能源的开发利用与环境保护1．热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程()A．都具有方向性B．只有部分具有方向性C．没有方向性D．无法确定【答案】A2．下列关于熵的有关说法正确的是()A．熵是系统内分子运动有序性的量度B．一个孤立系统的熵不会减小C．热力学第二定律也叫做熵减小原理D．熵值越大代表越有序【答案】B3．(2017年绵阳期末)下列有关热力学第二定律的说法正确的是()A．气体自发地扩散运动总是向着更为无序的方向进行，是可逆过程B．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它是制造不出来的C．空调既能制冷又能制热，说明热传递不具有方向性D．一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，熵减小【答案】B[气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故A错误．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它违反了热力学第二定律，是制造不出来的，故B正确．热力学第二定律的内容可以表述为：热量不能自发地由低温物体传到高温物体而不产生其他影响，即只要产生其他影响，热量就能从低温物体传到高温物体，故C错误．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，故D错误．故选B．]4．两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传向低温物体，直到两者温度相等；一个温度处处相等的物体，不可能自发地变得一部分温度高、另一部分温度低．怎样从分子热运动的角度解释热传递的这种方向性？【答案】两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，一个物体分子平均动能大，另一个物体分子平均动能小，总体上看，分子热运动的分布较为有序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变得分散和退降，分子热运动的分布较为无序．由于一切自然过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行．所以热传递是由高温物体传向低温物体的，热传递具有方向性．一、能源与环境1．常规能源：________、________、________．2．大量消耗常规能源造成的危害(1)空气质量恶化，危害__________．(2)大气污染最突出的影响是：____________和_______．煤石油天然气生态环境温室效应酸雨二、温室效应1．温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的__________造成的．2．控制全球变暖的对策：调整能源结构，控制__________的过量排放．热量平衡二氧化碳三、酸雨1．定义：pH值小于______的降水．2．酸雨形成原因：人为排放的__________和__________是酸雨形成的根本原因．3．酸雨的危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤________和贫瘠，腐蚀________和艺术品．4．防治酸雨的措施(1)健全法规，强化管理，控制排放．(2)发展________技术，减少燃烧过程SO2的排放．(3)改造发动机，安装汽车尾气净化器．5.6二氧化硫氮氧化合物酸化建筑物清洁煤四、能量降退与节约能源1．能量降退：能量可利用程度________的现象．2．节约能源：由于常规能源是____________的能源，不是用之不竭的．降低不可再生五、新能源的开发和利用1．化石能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染，使得________的开发成为当务之急．2．新能源主要有下列几种(1)________；(2)生物质能；(3)________；(4)水(河流、潮汐)能．_________、__________、______、______是清洁能源．________________________________是可再生能源．新能源太阳能风能生物质能太阳能风能水能太阳能、生物质能、风能和水能试从微观角度分析能量降退的原因．【答案】能量从微观领域内总是从无序程度较小向无序程度较大转化，是自动发生的能量耗散，虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低．1．概念：能源是提供可利用能量的物质．2．能源的分类能源概念、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加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能能源分类方法能源分类名称特点举例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)特别提醒：大量能量的使用虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，将能量从高度有用的形式降为不易利用的形式，所以要节约能源．例1凡是能够提供某种形式的能量的物质，或是物质运动，统称为能源．“能源分类相关图”如图所示，四组能源选项中，全部符合图中阴影部分的能源是()A．煤炭、石油、沼气B．水能、生物能、天然气C．太阳能、风能、海洋能D．地热能、潮汐能、核能解析：煤炭、石油、沼气不是可再生能源，A选项错误；天然气不是可再生能源，也不是新能源，B选项错误；核能不是来自太阳辐射的能源，D选项错误．答案：C【题后反思】理解能源和能源的分类是关键．1．水力发电站的电能最终来自于()A．太阳能B．水的动能C．水的势能D．水的内能【答案】A1．新能源的开发(1)太阳能：有直接加热物体的太阳能热水器、太阳灶，有利用半导体材料把太阳能转化为电能的太阳能电池等，主要问题是只有白天工作，还要受天气影响，会妨碍大规模使用太阳能，要研究储存太阳能的方法．(2)水能：水能有巨大的开发潜力，可以开发梯级电站．(3)核能：是一个巨大的能源，通过原子反应堆进行核发电，主要应注意核泄露、控制核污染．新能源的开发及环境保护(4)风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”．我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电．当前我国的几大能源工程：①“西气东输”；②“南水北调”；③“西电东送”；④“热电联产”；⑤长江三峡水利枢纽工程，于2010年左右完全建成，它将每年提供8.47×1011kW·h的电能．2．做好环境保护工作目前的任务是采用环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；汽车尾气问题，达到废气“零”排放；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等污染问题，要变废为宝．例2某地强风的风速约为v＝20m/s，设空气密度为ρ＝1.3kg/m3，如果能利用该强风进行发电，并将其动能的20%转化为电能，现考虑横截面积S＝20m2的风车(风车车叶转动形成圆面面积为S)，求：(1)利用上述已知量计算电功率表达式．(2)电功率大小约为多少？(取1位有效数字)解析：(1)设考虑时间t内吹到风力发电机上的空气，则空气质量m＝ρSvt.空气动能Ek＝12mv2＝12ρStv3．由能量守恒有：E＝20%Ek＝110ρStv3，所以发电机电功率P＝Et＝110ρSv3．(2)代入数据得：P＝110×1.3×20×203W≈1×104W．答案：(1)P＝110ρSv3(2)1×104W【题后反思】1.先求出t时间内吹过风车的空气质量．2．再求出空气的动能及发电功率．例3下面是晓阳在题为《能源利用和节约能源》的研究性学习中收集到的有关太阳能的资料：太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，在1m2地面上1s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103J．太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中．晓阳在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：容积(V)100L集热管的采光面积(S)1.5m2效率(η)40%使用年限(z)15年(1)晓阳家每天大约需要100kg热水，用这种热水器将这些水从25℃加热到45℃需要多长时间？(2)与效率为80%的电热水器相比，晓阳家每天可节约多少电能？解析：(1)设T为光照时间，k＝1.0×103J/(s·m2)，Q吸＝cm(t－t0)＝4.2×103×100×20J＝8.4×106J，太阳能热水器传给水的热量Q放＝kSTη，因为Q吸＝Q放，所以T＝Q放kSη＝8.4×1061.0×103×1.5×40%s＝1.4×104s≈3.9h．(2)由Q电＝Wη1得W＝Q电η1＝8.4×1060.8J＝1.05×107J≈2.9kW·h．答案：(1)3.9h(2)2.9kW·h2．风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源．风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置．其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等，如下图所示．(1)利用总电阻R＝10Ω的线路向外输送风力发电机产生的电能．输送功率P＝300kW.输电电压U＝10kV.求导线上损失的功率与输送功率的比值；(2)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接收风能的面积．设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为R.求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm；在风速和叶片数确定的情况下，要提高风轮机单位时间接收的风能，简述可采取的措施．【答案】(1)3∶100(2)12πρR2v3增加风轮机叶片长度，安装调向装置保持风轮机正面迎风等解析：(1)导线上损失的功率为P损＝I2R＝PU2R＝300×10310×1032×10W＝9kW损失的功率与输送功率的比值P损P＝9×103300×103＝3100．(2)风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大．单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为ρvS，S＝πR2风能的最大功率可表示为Pm＝12(ρvS)v2＝12ρvπR2v2＝12πρR2v3．采取合理措施，如增加风轮机叶片长度，安装调向装置保持风轮机正面迎风等．