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第二十章　能源与能量守恒
第1节　能源(案例一)
预习清单
1.火的发现和利用,让人类学会了利用＿＿＿为主要能源,直到19世纪中叶,其在全世界能耗中仍占75%。
2.18世纪末,＿＿＿＿的发明引发工业革命,＿＿＿成为这场工业革命的动力基础,世界进入了“＿＿＿时代”。
3.19世纪70年代,＿＿＿＿的出现,＿＿＿＿＿的迅速发展,使煤炭在能源消耗结构中的比重逐渐下降。进入20世纪60年代以来,＿＿＿的应用日益广泛。1965年,＿＿＿在世界能耗中比例已超过煤炭,世界进入了“＿＿＿时代”。
薪柴
蒸汽机
煤炭
煤炭
内燃机
电力工业
石油
石油
石油
预习清单
4.目前,人们正致力于＿＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿等的开发和利用。21世纪将是＿＿＿能源的快速发展时期。
5.能源可分为＿＿＿＿＿能源和＿＿＿＿能源。煤、石油、天然气等一旦被消耗,是不能再生的,这类能源属于＿＿＿＿＿能源;而太阳能、水能、风能、地热能、海洋能、潮汐能等是不会随开发利用日益减少的,这类能源可以从自然界源源不断地得到,所以属于＿＿＿＿能源。
太阳能
核能
水能
风能
海洋能
氢能
清洁
不可再生
可再生
不可再生
可再生
预习清单
6.目前,全世界的能源消耗结构中,煤、石油、天然气占比较大,能源消耗仍然以＿＿＿＿＿能源为主,在结构上存在＿＿＿＿、＿＿＿＿的现象。按现行使用量和增长预期计算,已探明的不可再生能源供人们使用的时间＿＿＿＿＿,＿＿＿＿＿是当今世界面临的重大问题。
7.近年来,我国以＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿＿＿＿为代表的可再生能源实现了跨越式发展。
不可再生
不科学
不合理
长短不一
能源危机
水电
风电
太阳能发电
课程导入
课程导入
生活中有着各种各样的能源,人类社会的生存和发展离不开能源。人类社会的进步和日趋美好的生活是以大量的能源消耗为代价的。那么,能源是什么呢 今天我们就一起来探索能源的奥秘。
任务一：能量与能源
1.能量
物体能够对别的物体做功,我们就说这个物体具有能量,能量简称能。
能量有各种不同的形式,如机械能、光能、内能、化学能、电能和核能等。
任务一：能量与能源
机械能(包括动能和势能)与物体的机械运动相关;光能与光的传播和辐射相关;内能与物体内部分子的热运动相关;化学能储存在物质的化学键中,通过化学反应释放;电能与电荷的定向移动相关;核能则源于原子核内部的核力作用,通过核反应释放。
那么,什么是能源呢 它又与能量有什么关系呢
任务一：能量与能源
2.能源
(1)定义:能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。
煤炭、石油、天然气等化石燃料燃烧时释放内能,属于能源;风、流动的水具有机械能,可通过风电场、水电站发电,因此是能源;食物储存化学能,为人体活动供能量,同样属于能源。
(2)种类:能源按其来源可分为化石能源(煤炭、石油、天然气)、生物质能、太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能和核能等。
任务一：能量与能源
3.能量和能源的区别和联系
任务一：能量与能源
4.总结概括
能源是能量的“载体”(煤炭是化学能的载体),人类通过开发利用能源获取所需的能量,而能量的转化与守恒规律则是理解能源利用的基础。
5.实例分析
结合身边的能源实例,说说这些能源提供了什么形式的能量。如煤燃烧提供内能、电能使灯泡发光提供光能和内能等。
任务二：人类利用能源的历史
1.人类利用能源的历史
人类的生存和社会的发展离不开能源,可以说能源是人类生存的命脉、社会发展的动力。能源如此重要,我们应当了解人类利用能源的历史。
任务二：人类利用能源的历史
对以下问题进行交流讨论:
(1)根据什么原则,将人类利用能源的历史划分为了四个时期 这四个时期的名称各是什么
可以根据某个时期内,人类使用什么能源为主的原则来划分能源时期。通常划分为薪柴时期、煤炭时期、石油时期和多元化时期。
任务二：人类利用能源的历史
(2)为什么说能源是人类生存的命脉、社会发展的动力
能源推动了人类社会的进步,从原始人用火改善生存条件,到蒸汽机、内燃机推动工业革命,再到如今清洁能源促进可持续发展,能源始终是社会发展的动力。
任务二：人类利用能源的历史
2.薪柴生火——人类文明的萌芽
火的发现和利用,结束了人类茹毛饮血的原始生活,推动和加快了人类文明的进程。薪柴是人类第一代主体能源。
任务二：人类利用能源的历史
人类学会用火之后,首先用树枝、杂草等作为燃料,用于燃烧煮食和取暖。火还给人类以光亮,使人能在夜间活动。火还可以帮助人类煅烧矿石、冶炼金属、制造工具等。恩格斯在评价火的作用时说:“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力,从而最终把人同动物分开。”
任务二：人类利用能源的历史
一百多万年前,人类学会了用火,在漫长的岁月里,一直以薪柴为生活能量的主要来源,燃火用于烧饭、取暖和照明。后来,人类逐渐学会将畜力、风力、水力等自然动力用于生产和交通运输。这种初级形式的能源利用直到19世纪中期都没有太大突破。在1860年的世界能源消费结构中,薪柴仍占能源消费总量的75%。
任务二：人类利用能源的历史
16世纪,随着经济增长,家庭和工业消费的增加推动了对木柴和木炭的需求。然而当时,英国工业发展却遇到了森林资源短缺的瓶颈。1500至1630年期间,英国的木材价格猛涨7倍,木柴与木炭也因短缺而价格暴涨。加上薪柴能源所能提供的能量与能源密度相当有限,明显制约了人类社会的进一步发展。因此,人类发现并利用了煤炭这一更先进的能源。
任务二：人类利用能源的历史
3.煤炭——工业社会的粮食
2 000多年以前,人类就知道煤炭可以作为燃料。公元前500年,我国古人就发现了“黑石头”(煤),并开始用煤作为燃料。14世纪的中国、17世纪的英国,采煤业都已相当发达,但煤炭长期未能在世界能源消费结构中占据主导地位。
任务二：人类利用能源的历史
18世纪70年代,英国的瓦特改进了以煤炭作为燃料的蒸汽机。蒸汽机的发明令人类成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,人类的主要能源从薪柴逐渐转向热值更高的煤。煤炭在世界能源消费结构中所占的比重,从1860年的25%,上升到1900年的约57.6%。世界进入了“煤炭时代”。
任务二：人类利用能源的历史
17世纪中叶,由于煤炭生产和使用技术的日趋成熟,人类能源消费逐步由煤炭代替木炭。煤气灯的使用和蒸汽机的发明,使煤炭一跃成为第二代主体能源,并开创了18世纪的工业文明。以煤炭作为燃料的蒸汽机,使纺织、冶金、采矿、机械加工等行业获得迅速发展。
任务二：人类利用能源的历史
同时,蒸汽机车、轮船的出现,使交通运输业得到巨大进步。这大大促进了世界工业化进程,煤炭时代所推动的世界经济发展超过了以往数千年的成就。
任务二：人类利用能源的历史
4.石油——现代社会的“血液”
19世纪70年代,人们发明了以汽油和柴油为燃料的内燃机。19世纪末,福特成功制造出世界上第一辆量产汽车。这一时期,石油以其更高热值、更易运输等特点,于20世纪60年代取代了煤炭“第一能源”的地位,成为第三代主体能源。1965年,石油在世界能耗中的比例已超过煤炭,世界进入了“石油时代”。
任务二：人类利用能源的历史
石油作为一种新兴燃料,不仅直接带动了汽车、航空、航海、军工业、重型机械、化工等行业的发展,甚至影响着全球的金融业,人类社会也被飞速推进到现代文明时代。特别是石油在汽车、航空、航海等方面的能源优势,极大地促进了人类的交往与生产力的优势组合,从而极大地促进了人类社会的发展。
任务二：人类利用能源的历史
化石燃料已经成为现代社会生活中不可或缺的一部分。然而,随之而来的对环境的影响也是人类不可以忽视的。
任务二：人类利用能源的历史
人类在发现了化石燃料之后,需要加以开采并且进行加工,才能使之更好地被人类利用。而开采过程中对环境影响最典型的就是煤炭的开采。据不完全统计,迄今为止平均每开采一万吨煤炭会造成农田塌陷0.2公顷,在开采的同时还会对地下水造成污染。除此之外,开采时所释放的甲烷等气体以及粉尘在相当的程度上破坏了空气环境。
任务二：人类利用能源的历史
在化石燃料的利用过程中,化石燃料中的碳转变成二氧化碳进入大气,使大气中的二氧化碳浓度增大,造成了所谓的温室效应。而温室效应作为当代环境的一个重大问题,随之而来的是全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、生物种类的灭绝等环境问题。
任务二：人类利用能源的历史
同时,由于化石燃料的大量使用,产生的硫氧化物和氮氧化物,经过复杂的化学反应,形成了硫酸和硝酸,进一步形成了酸雨,腐蚀建筑物、危害农田,对环境也造成了很大的影响。
化石能源的利用带来了人类社会发展的同时,也带来了全球性的环境危机,从而迫使人类加快了新能源技术发展。
任务二：人类利用能源的历史
5.多元化能源———未来社会的理想能源
20世纪30年代以来,随着科学技术的进步,各类新能源开始投入使用,新能源的技术进步和实际应用显著提速。长距离输电技术的突破,使水力发电逐渐形成规模。1951年,美国首次利用核能发电成功。1979年,美国建成了世界上最大的风力发电风车。1992年,日本实现了太阳能光伏发电系统同电力公司联网。
任务二：人类利用能源的历史
太阳能、风能、核能以及海洋能、氢能等新能源的快速崛起也被称为第三次能源革命。
目前,人们正致力于开发太阳能、核能、水能、风能、海洋能、氢能等的开发和利用。21世纪将是清洁能源的快速发展时期。
任务二：人类利用能源的历史
6.归纳总结
任务三：可再生能源和不可再生能源
1.能源的分类
分类方法是根据事物的相同或相似的特点,将事物一一归类的做法。这样做,可以更好地对同类事物的性质、特点和运动规律进行探究。
任务三：可再生能源和不可再生能源
(1)将能源按照“是可再生,还是不可再生”的原则来划分
①不可再生能源:一旦被消耗,便不能再生的能源。如煤、石油、天然气、核能等。
煤 石油 天然气
任务三：可再生能源和不可再生能源
②可再生能源:不会随开发利用而日益减少的能源。如太阳能、水能、风能、地热能、海洋能、潮汐能等,这类能源可以在自然界里源源不断地得到。
水能 地热能 潮汐能
任务三：可再生能源和不可再生能源
(2)将能源按照“是直接使用,还是加工转换后再使用”的原则来划分
①一次能源:是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能源。如煤、石油、天然气、水能、风能、核能、海洋能、生物质能等。
②二次能源:不能从自然界中直接获取,由一次能源经过加工转换而来的能源。如沼气、汽油、柴油、酒精、焦炭、煤气、蒸汽、电能等。
任务三：可再生能源和不可再生能源
(3)将能源按照“人类开发利用能源的历史”的原则来划分
①常规能源:是指当前被广泛利用的能源。如煤、石油、天然气、水能、生物质能(由生命物质提供的能量)等。
②新能源:是指目前尚未广泛利用而正在积极研究以便推广利用的能源。如核能、地热能、海洋能、太阳能、风能等。
任务三：可再生能源和不可再生能源
(4)将能源按照“是否会对环境造成污染”的原则来划分
①污染型能源:消耗后会造成环境污染的能源。如煤、石油、天然气等。
②清洁型能源:消耗后不会造成环境污染的能源。如太阳能、风能、水能、地热能、氢能等。
任务三：可再生能源和不可再生能源
2.二次能源的“骄子”———电能
日常生活中,绝大部分能量的转化和传递是通过电能实现的,人类的生活已经离不开电。电能已经成为现代化、工业化的基本支柱,是迄今最理想的能源,被人们誉为二次能源的“骄子”。
任务三：可再生能源和不可再生能源
电能作为一种二次能源,便于从多种途径获得,如水力发电、火力发电、核能发电、太阳能发电及其他各种新能源发电等,同时又便于转换为其他能量形式以满足社会生产和生活的种种需要,如电动力、电热、电化学能、电光源等。与其他能源相比,电能在生产、传送、使用中更易于调控。这一系列优点,使电能成为最理想的二次能源,格外受到人们关注。
任务三：可再生能源和不可再生能源
电能的开发及其广泛应用成为继蒸汽机的发明之后,近代史上第二次技术革命的核心内容。20世纪出现的大电力系统构成工业社会传输能量的大动脉;以电磁为载体的信息与控制系统则组成了现代社会的神经网络。各种新兴电力行业材料的开发和应用,丰富了现代材料科学的内容。物质世界统一性的认识、近代物理学的诞生以及系统控制论的发展等,都直接或间接地受到电力行业发展的影响。
任务三：可再生能源和不可再生能源
同时,各相邻学科的成就也不断促进电力行业向更高的层次发展。因此,电力行业发展水平是衡量社会现代化程度的重要标志,是推动社会生产和科学技术发展、促进社会文明的有力杠杆。
自19世纪80年代开始应用电能以后,几乎所有社会生产的技术部门以及人民生活,都逐步转移到这一崭新的技术基础上,极大地推动了社会生产力的发展,改变了人类的社会生活方式,使20世纪以“电世纪”载入史册。
任务三：可再生能源和不可再生能源
电能照明给人类的便捷和好处最为显著,它消除了黑夜对人类生活和生产劳动的限制,大大延长了人类用于创造财富的劳动时间,改善了劳动条件,丰富了人们的生活。这同时为电能的应用奠定了最广泛的社会基础,成为推动电能生产的强大动力。
任务三：可再生能源和不可再生能源
电传动是范围最广、形式最多的电能应用领域,电动机作为最重要的动力源,从根本上改变了19世纪以蒸汽动力为基础的初级工业化的面貌。电热、电化学、电物理的发展,开辟了一个又一个新的工业部门和科研领域。总之,电的应用不仅影响到物质生产的各个侧面,也越来越广地渗透到人类生活的各个层面。电气化已在某种程度上成为现代化的同义语,同时它也成为衡量我们人类社会物质文明发展水平的重要标志。
任务三：可再生能源和不可再生能源
3.能源转化小实验
(1)太阳能小台灯实验:将太阳能电池板与小灯泡连接并放在阳光下照射,观察灯泡的发光情况,分析能量转化情况(太阳能→电能→光能)。
(2)手摇发电实验:动手操作手摇发电机,感受机械能转化为电能的过程,理解二次能源的产生。
任务四：能源危机和我国的能源革命
2025年4月末,西班牙、葡萄牙遭遇大停电,共计超5 000万民众的生活被彻底打乱,交通、通信、医疗等关键领域停摆。这次停电事件再次敲响了全球能源体系安全的警钟。这场大停电,让我们真切看到能源是社会正常运转的“血液”,一旦能源供应出问题,会引发一系列连锁反应,影响到我们生活的方方面面。而这其实只是能源危机可能带来后果的一个缩影。
任务四：能源危机和我国的能源革命
1.世界与我国能源消耗的结构
任务四：能源危机和我国的能源革命
现在世界上消耗的能源仍然以不可再生能源为主,其中石油约占32%,煤约占26%,天然气约占23%。2023年,我国的能源消耗结构中,各种能源的比重大约为:煤55.3%、石油18.3%、天然气8.5%、其他(水电、核电、风电、太阳能发电等)17.9%。无论是世界还是我国,在能源消耗的结构上,仍存在不科学、不合理的现象。按现行使用量和增长预期计算,已探明的不可再生能源供人们使用的时间长短不一,最短不足100年,能源危机是当今世界面临的重大问题。
任务四：能源危机和我国的能源革命
近年来,我国以水电、风电、太阳能发电为代表的可再生能源实现了跨越式发展。截至2024年底,我国可再生能源发电总装机容量达到18.89亿千瓦,水电、风电、太阳能发电、生物质发电装机规模稳居世界第一。
任务四：能源危机和我国的能源革命
2.我国可再生能源增长情况分析
根据教材中的“我国近年发电量数据统计”表格,分小组选择一种可再生能源(如水电或风电),绘制折线图(以年份为横轴,发电量为纵轴),直观呈现增长趋势。
各小组选派发言人,结合绘制的图表,汇报对可再生能源增长情况的分析,包括具体数据变化、增长趋势总结、与总发电量及其他能源的关联发现。教师适时引导、点评,梳理关键结论。
任务四：能源危机和我国的能源革命
(1)分析各年中水电、风电、太阳能发电等可再生能源的增长情况,并结合数据谈谈对此的看法。
我国在可再生能源发电方面取得了显著进展。风电和太阳能发电增长强劲,显示出我国在新能源开发利用上的巨大潜力和积极成效,这有助于减少对传统化石能源的依赖,推动能源结构优化和可持续发展。水电虽有一定增长,但后期出现波动,可能受多种因素影响,如自然条件(降水等影响水力资源)、工程建设进度等,需要进一步合理规划和科学管理。
任务四：能源危机和我国的能源革命
(2)从教材中的“我国近年发电量数据统计”表格中你还能看出哪些信息
①目前,火电仍是我国主要的发电方式。
②我国核电技术不断进步,核电产业稳步发展。
③我国经济社会发展对电力的需求不断增加。
任务四：能源危机和我国的能源革命
3.能源危机及出路
(1)我国部分能源储备
①阅读资料:
我国是世界能源生产大国之一,截至2023年底,已探明煤的储量约为2.19×1011 t;天然气的储量约为6.74×1012 m3;石油的储量约为3.85×109 t。
任务四：能源危机和我国的能源革命
由于我国人口基数庞大,占全球人口接近两成,而化石能源资源储量只有不到全球已知储量的一成,因此人均拥有化石能源资源储量较低。具体而言,我国煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量分别只有世界人均水平的60%、6.2%和6.7%。
任务四：能源危机和我国的能源革命
②进行计算:
若我国现今人口为14亿,请计算一下,我国能源的人均拥有量分别是多少 并交流讨论一下,这说明了什么问题
人均拥有量的计算方法是用能源的总储量除以我国的总人口数。我国人口按14亿(1.4×109人)计算。
任务四：能源危机和我国的能源革命
对于煤:总储量约为2.19×1011 t,人均拥有量= ≈1.56×102 t。
对于天然气:总储量约为6.74×1012 m3,人均拥有量= ≈4.81×103 m3。
对于石油:总储量约为3.85×109 t,人均拥有量= =2.75 t。
任务四：能源危机和我国的能源革命
③得出结论:
我国能源总量虽然比较丰富,但由于人口众多,人均能源拥有量在世界上处于较低水平。我们在日常生活中要树立节约能源的意识,合理利用能源,同时要不断开发新能源,以满足社会发展的需求。
任务四：能源危机和我国的能源革命
(2)能源危机的出路
进入新时代以来,我国深入推进能源革命,推动能源的清洁、低碳、高效利用。一方面加强煤炭等能源的清洁、高效利用,加大油气资源的勘探和开发;另一方面,加快规划建设新型能源体系,把促进新能源和清洁能源发展放在突出的位置。经过多年发展,我国已成为世界能源生产第一大国,构建了多元清洁的能源供应体系,形成了横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源基础设施网络,有力保障了经济社会发展的用能需求。
核心总结
1.能量与能源
(1)物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能量。能量有各种不同的形式,如机械能、光能、内能、化学能、电能和核能等。
(2)能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。如化石能源、生物质能、太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能和核能等。
核心总结
2.人类利用能源的历史
(1)薪柴生火——人类文明的萌芽
(2)煤炭——工业社会的“粮食”
(3)石油——现代社会的“血液”
(4)多元化能源——未来社会的理想能源
核心总结
3.能源的分类
(1)能源按照“是可再生,还是不可再生”的原则可分为可再生能源和不可再生能源。
(2)能源按照“是直接使用,还是加工转换后再使用”的原则可分为一次能源和二次能源。
(3)能源按照“人类开发利用能源的历史”的原则可分为常规能源和新型能源。
核心总结
(4)能源按照“是否对环境造成污染”的原则可分为污染型能源和清洁型能源。
4.能源危机和我国的能源革命
(1)能源危机的存在
(2)能源危机的应对
课堂评价
1.关于能源的开发和利用,下列说法中不正确的是 (　　)
A.煤是可再生能源,以煤为主要燃料的火力发电容易造成环境污染
B.核能是不可再生能源,开发和利用核能是人类获取能源的一个新
途径
C.太阳能是取之不尽的能源,可直接利用且不会污染环境,开发前
景广阔
D.人类的生存离不开能源,社会的进步和美好生活是以消耗大量能
源为代价的,我们要珍惜能源
A
课堂评价
2.“能源危机”是当今世界共同面临的问题,以下解决危机问题的措施切实可行的是 (　　)
A.人人都要节约用水、用电,不浪费能源和不人为毁坏
物品
B.关闭全部现有的火力发电站
C.停止使用石油、煤炭资源,改用核能和太阳能
D.各地都要大力兴建水力和风力发电站
A
课堂评价
3.以下列出了各种形式的能源:薪柴、煤、石油、天然气、风能、水能、电能、太阳能、地热能。在这些能源中哪些是化石能源 哪些是一次能源 哪些是二次能源 请填入下面的表格。
薪柴、煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能、地热能
电能
煤、石油、天然气
课堂评价
4.阅读短文,回答问题。
垃圾发电
填埋是目前全球垃圾处理的主要方式,传统的垃圾处理方式是将垃圾集中填埋,让其自行发酵。在发酵过程中会产生二氧化碳和甲烷等废气,易造成常规污染,还可能带来温室效应,甚至有爆炸的危险。
课堂评价
福州市红庙岭垃圾填埋气发电厂将垃圾填埋后,采用科学方法使其发酵,并把产生的填埋气收集起来用于发电。因此,垃圾填埋气和太阳能、风能一样,是一种可再生能源,不仅解决了垃圾填埋的安全和污染问题,也可产生显著的经济效益,同时减少温室气体的排放。
目前,福州市垃圾填埋气发电厂和前期投产的垃圾焚烧发电厂的年总发电量大约可供4万个年用电量为2 800 kW·h的家庭使用。
课堂评价
(1)传统的垃圾填埋处理方法的缺陷有: ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
(2)将填埋气收集起来用于发电,是将这些垃圾的化学能最终转化为＿＿能。垃圾填埋气是一种＿＿＿＿(选填“可再生”或“不可再生”)能源。
(3)请谈谈你在节能减耗、环境保护方面做了哪些实事:＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
会造成常规污
染、带来温室效应、有爆炸的危险等
电
可再生
节约用水、随手关灯、不随意丢弃废弃电池等

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