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第二十二章 能源与可持续发展
第1节 能源利用的现状和面临的挑战
素养目标
1.有能源分类与转化的科学认知，区分一次能源与二次能源，识别常见能源类型，理解能源转化特性，加强“能量守恒与可用能量不变”的深层理解。
4.有环保意识与社会责任感，正视能源利用与环境问题，形成保护生态环境的责任感。了解“碳达峰、碳中和”等国家战略，树立绿色生活意识，倡导可持续行动，强化对未来的责任担当。
3.培养实践与合作探究技能，设计探究任务，完成协作探究，整合信息能力。
2.发展学生的推理与问题分析能力，了解“能量守恒但需节约能源”的矛盾，强化对资源有限性的认知，能源消耗增长与环境压力的关联，提出初步对策。
能源是人类文明进步的基础和动力，能源问题和我们每个人都息息相关。在本章的学习中，我们将从自己的家庭入手，调查能源使用情况，有针对性地制订优化能源使用的方案。
从身边的事做起，每个人都可以为全社会实现可持续发展作出贡献。快来试试吧！
创设情景，引入新课
在前面的学习中，我们已经认识了各种形式的能量。生产和生活中利用的这些能量，是通过哪些能源提供的？
风力发电
开采煤炭
潮汐发电
太阳能发电
水力发电
垃圾发电
核能发电
1.我们生活、生产中离不开能量。例如在生活中，烧饭、取暖、照明中都需要利用能量；在生产中如金属的冶炼、机器的运转、汽车和火车等交通工具的行驶也需要能量。
人类利用能源的历程
2.三峡水电站是世界上最大的水力发电站，它通过提高上游的水位增加水的势能，高水位的水向下流，使水轮机转动并带动发电机发电，从而向人们提供电能。
2012年7月4日，三峡水电站32台机组全部投入工作。自2003年三峡工程正式开始发电，到2012年7月，三峡电站发电量累计达到5 648亿千瓦时，相当于从滚滚长江中捞起了近2亿吨标准煤，减排二氧化碳4亿吨、二氧化硫500多万吨。
3.自从原始人发现使用火的方法以后，能源就成为人类文明发展的重要物质基础。钻木取火在人类利用能量的历史上非常重要。从利用自然火到利用人工火的转变，结束了远古人类的茹
毛饮血，开启了以柴薪作为主要能源的时代。这个时代持续了近一万年。
4.谁发明了蒸汽机？有什么意义？
托马斯·纽科门是英国工程师，蒸汽机的发明者，他研制的大气活塞式蒸汽机为早期工业化提供了重要动力。他于1705年获得冷凝蒸汽与活塞联动技术专利，1712年制造出首台实用大气
詹姆斯·瓦特，是英国发明家，对蒸汽机进行了关键性改良，推动了第一次工业革命，让人类进入“蒸汽时代”。
式蒸汽机，被应用于煤矿排水及水车动力供给。尽管设备费煤且效率较低，但该机型持续运行超过60年，为后续蒸汽机技术改进奠定基础。
蒸汽机的发明是人类利用能源的新里程碑。人类从此逐步以机械动力代替人力和畜力，主要能源由柴薪转向煤，人类进入工业化社会。
7.想一想：我们每一天烧茶煮饭做菜，需要什么燃料呢？
干杂草、柴薪、煤炭、液化石油气、天然气……
5. 能量：（1）物质的运动和相互作用的方式多种多样，每种运动形式都对应相应的能量。
（2）常见的能量：如机械能、内能、化学能、电能、核能等。
6. 能源：
能够提供能量的物质资源叫做能源。
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。
生产和生活中利用的各种能量，是
我们今天大规模使用的煤、石油和天然气，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。
3. 常见的能源：
（1）化石能源
①我们使用的煤、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。
②化石能源的形成示意图
岩石
岩石
岩石
褐煤
煤
时
间
进
程
动、植物化石
煤
转化
石油、天然气的形成
说一说：
石油和天然气的形成过程。
使用化石能源的交通工具：货车、轮船、飞机、汽油机、柴油机等。
③化石能源是当今世界的主要能源
（2）生物质能 :
由生命物质提供的能量称为生物质能。生物质能可以理解为生物机体物质发生化学变化时释放的能量。例如，食物
分解和柴
薪燃烧等
都提供了
生物质能。
（3）太阳能
由太阳辐射提供的能量。
（4）水能、风能
由自然界中的流水和风提供的能量。
（5）地热能
由地球内部提供的一种内能。
（6）电能
由其他形式的能转化而成的供各种
用电器使用的能源叫做电能。
为什么我们要使用电能，不直接使用石化能源呢？
① 电能便于输送。
②电能便于转化
电能通过用电器可以比较方便地转化为机械能、化学能光能、内能等其他形式的能量，为人类所用。
电能
转化
转化
转化
转化
内能光能
机械能
化学能
内能
（7）核能的利用
20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置——核反应堆，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。
第三次能源革命的标志，开始了开发和利用核能的新纪元。
电能
核能
4.一次能源与二次能源
（1）一次能源
像化石能源这样可以直接从自然界获得的能源称为一次能源。
化石能源（煤、石油、天然气）都是一次能源，其他常见的一些能源：风能、水能、太阳能等也都是一次能源。
常见的一次能源：地热能、核能、化石能源、风能、水能、太阳能、潮汐能等等。
（2）二次能源
①无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到的能源称为二次能源。
②常见的二次能源：电能，因为
光发电时，把光能转化为电能。因为光能是一次能源，消耗一次能源才能得到电能，所以电能是二次能源。
其他常见的二次能源：汽油、柴油、酒精、电能、木炭、煤气、液化气、沼气、氢气、等等。
电能是消耗一次能源得到的。
5.可再生能源与不可再生能源
（1）化石能源等不能在短期内从自然界得到补充，所以这类能源叫作不可再生能源。
（2）水能和风能等能源可以在短期内从自然界得到补充，叫作可再生能源。
可再生能源与不可再生能源都是可以直接从自然界获得的能源。
煤、石油、天然气、核能……
太阳能、水能、风能、潮汐能……
汽油、柴油
酒精
能源利用面临的挑战
我们已经知道能量是守恒的，为什么还要节约能源呢？
现象:若把水放到温度较高的环境中水吸收热量，温度升高，内能增加。若把水放到温度较低的环境中，水放出热量，温度降低，内能减少。水的内能会传给空气，水不会变热。
1. 能量转移具有方向性
（1）探究能量转移具有方向性
①实例一：把一杯水放到温度较高的环境中，水是否会自动变热？把水放到温度较低的环境中，水是否
会自动变热？
分析:这是因为在热传递的过程中，热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，而不能自发地从低温物体转移
到高温物体。
你见过生活中热量从低温物体转移到高温物体的吗？
（2）探究归纳
在热传递的过程中，能量总是自发地从高温物体转移到低温物体，不能相反。
②实例二：如果要使热量从低温物体转移到高温物体，就需要消耗其他形式的能量。例如，电冰箱工作时将热量从温度较低的内部转移到温度较高的外部，需要消耗额外的电能。
电冰箱制冷要消耗电能
结论：
能量的转移具有方向性.
2. 能量转化具有方向性
（1）探究能量转化具有方向性
①实例一：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。用电器将电能转化为内能、光能、机械能多种形式的能后，但是这些能量无法再变回可以被利用的能源。
化学能
电能
内能、机械能、光能……
②实例二：
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，但这些能量不能自动地收集起来再次驱动汽车。这些能量虽然没有消失，但也不能再被我们利用。
（2）探究归纳：能量的转化具有方向性。
3. 综合上述探究可得出结论
能量的转移和转化具有方向性，不可逆的。
人们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的。有些能量可以利用，有些则不能。因此，能源的利用是有条件的，我们所能利用的能源也是有限
的。化石能源是当今世界的主要能源，比如大多数汽车、飞机、轮船等交通工具都离不开它。
汽车、飞机、轮船等需要化石能源
由于世界人口的增加和经济的不断发展，能源的消耗量持续增长。特别是近几十年来，能源消耗量的增长速度明显加快。
4.能源消耗量持续增长的原因
右表所示是把全世界的能源消耗量折合成热值为2.93×107J/kg的标准煤来计算后与年代的关系，你发现了什么规律？
1950年为26亿吨，1987 年为110多亿吨，2007 年达到 160亿吨，2022
年达到 205 亿 吨。如果长期大规模开采，化石能源最终将会消耗殆尽。
观看视频：能源危机
5.能源消耗对环境的影响
在耗用各种能源时，不可避免地会对环境造成影响。
想一想：能源消耗对环境有哪些影响？
化石能源是现代的主要能源。化石燃料在燃烧利用过程中, 产生的各种气体与固体废物和余热对环境造成污染。
1. 能源消耗对环境的影响，主要体现在以下几个方面：
（1）热污染
化石能源通过燃烧转化为内能，相当一部分内能没有被有效利用，从而造成了热污染。汽车尾气是造成空气污
染和城市热岛效应的罪魁祸首之一。
城市里，大量烟尘和废气阻碍了地表热量向外辐射。另外，城市中的建筑物、混凝土和沥青路面，改变了地表的反射率和蓄热能力，使得城市气温比周围农村的高。
（2）大气污染
化石能源在使用中会产生一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物、粉尘等，会造成大气的污染，形成酸雨，导致水、土壤的酸化，对植物、建筑物、金属构件造成危害。
一座1.0×107kW燃煤电厂，每年燃煤约3.5×106t，向大气排放二氧化碳、二氧化硫、微尘及其他致病的有害物质可达
1.09×106t。
①酸雨
酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。 雨、雪等在形成和降落过程中，吸收并溶解了空气中的二氧化硫、氮氧化合物等物质，形成了pH低于5.6的酸性降水。
酸雨主要是人为的向大气中排放大量酸性物质所造成的。例如燃料燃
烧生成的二氧化硫、氮氧化物、粉尘和一氧化碳等有害物质。
②酸雨的危害
酸雨可导致土壤酸化。土壤酸化后，可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收的形态铝化合物。植物长期和过量的吸收铝，会中毒死亡。
（3）温室效应
温室效应是指透射阳光的空间由于与外界缺乏热对流而形成的保温效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，给地球穿上了一件保暖
酸雨能使非金属建筑材料表面硬化、水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低，建筑材料变脏、变黑，损坏建筑物。
羽绒服。而燃料燃烧产生的大量二氧化碳，大大加剧了地球的温室效应。
温室效应会造成全球气候变暖，冰川融化，海平面上升，出现极端高温、干旱、飓风、许多生物物种灭绝，也给人类带来直接威胁。
（4）生态破坏
一些欠发达地区过分依靠柴薪能
源，破坏了森林和植被，加剧水土流失和土地荒漠化。
（5）有害辐射
核能的开发和利用，也不是绝对清洁和安全的，处理不当或遇到特殊情况（如地震）发生核泄漏时，会对环境造成严重的辐射危害
2011年3月12日，地震导致福岛第一核电站、第二核电站电厂的放射
性物质泄漏到外部。
（6）废物污染
煤、柴薪等能源在使用后，会产生废物，对环境也会造成一定的污染。
2. 利用能源的建议
（1）人类不应当无限制地向大自然索取，我们必须在提升物质文明的同时，保持与自然环境的和
谐与平衡。
（2）不要因为利用能源时会对环境造成污染而停止使用能源，也不能为了促进文明和社会的发展而过量使用能源，对环境造成严重污染。使用能源和保护环境可以做到有机地统一、和谐地发展。要解决这个问题，当然离不开科学技术的进步和社会的发展。
燃煤发电的清洁技术
1.煤发电的原理
燃烧煤
水
水蒸气
汽轮机发电
加热
高温高压
推动
为了降低污染，煤在燃烧前会经
过洗选来去除杂质，在充分燃烧后，发电厂会对排出的烟气进行脱硫、脱硝、除尘等净化处理，减少二氧化硫等污染物的排放。
2. 降低污染的方法
碳捕集技术正在快速发展。碳捕集技术能够将烟气中的二氧化碳大规模收集起来，制成纯度为99.5%的工业级合格液态二氧化碳产品，对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义。
碳捕集示范工程
清洁高效的火力发电
2021年1月，我国建成了燃煤电厂每年15万吨燃烧后二氧化碳捕集示范工程。
2022年6月，另一个年产150万吨的燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集项目也正在加紧建设。
课堂总结（1）
课堂总结（2）
能源利用的现状和面临的
挑战
能源利用面临的挑战
人类利用能源的历程
①钻木取火：开启了以柴薪作为主要能源的时代.
②蒸汽机：是人类利用能量的新里程碑.
③核能：拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕.
能源及分类
①按照人类开发早晚分：常规能源、新能源.
②按照能否从自然界直接获取分：一次能源、二次能源.
按在短期内得到的补充来分：可再生能源、不可再生能源
③按照对环境的影响分：清洁能源、污染能源.
①能量转移和转化具有方向性；
②能源的利用是有条件的，所以需要节约能源。
③能源消耗对环境的影响：热污染、大气污染、温室效应、生态破坏、有害辐射、废物污染。
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