能量轉(zhuǎn)化與守恒定律能源開(kāi)發(fā)與利用

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律能源開(kāi)發(fā)與利用第六節(jié)能量能量轉(zhuǎn)化與守恒定律

我們生活在一個(gè)復(fù)雜而多變的世界中，物質(zhì)、能量、信息是構(gòu)成世界的基本要素。能量無(wú)處不在，能量轉(zhuǎn)化無(wú)時(shí)不有。那么：

⑴常見(jiàn)的能量有那些形式呢？⑵能量的轉(zhuǎn)化是如何實(shí)現(xiàn)的？⑶能量轉(zhuǎn)化遵循什么規(guī)律呢？⑷能量會(huì)被永久地利用嗎？第2頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天能量形式涵義實(shí)例機(jī)械能機(jī)械能是與物體的運(yùn)動(dòng)或位置的高度、形變相關(guān)的能量，表現(xiàn)為動(dòng)能和勢(shì)能。流動(dòng)的河水、被拉開(kāi)的弓、聲音等內(nèi)能內(nèi)能是組成物體的分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能和勢(shì)能的總和一切由分子構(gòu)成的物質(zhì)電能電能是與電有關(guān)的能量電器設(shè)備所消耗的的能量都是電能電磁能電磁能是以各種各樣的電磁波的形式傳播的能量可見(jiàn)光、紫外線、微波和紅外線等核能核能是一種儲(chǔ)存在原子核內(nèi)部的能量，原子核發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，會(huì)釋放出巨大的能量核潛艇、核電站、核武器等化學(xué)能化學(xué)能是指儲(chǔ)存在化合物的化學(xué)鍵里的能量化合物巧克力、燃料等都儲(chǔ)存有化學(xué)能一.各種各樣的能量第3頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.汽艇在海上行駛——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.用電照明——電能轉(zhuǎn)化為光能（電磁能）3.篝火燃燒——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能4.原子彈爆炸——核能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能仔細(xì)觀察下面的圖片，說(shuō)明它們具有那種形式的能？涉及哪些形式能量之間的轉(zhuǎn)化？二.能量之間的轉(zhuǎn)化第4頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化二、能量之間的轉(zhuǎn)化第5頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、能量之間的轉(zhuǎn)化請(qǐng)?jiān)谙聢D的箭頭旁邊填上能量轉(zhuǎn)化的裝置或過(guò)程電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)生物做功光合作用燃燒物質(zhì)電燈光電池太陽(yáng)照射熾熱發(fā)光電加熱地?zé)岚l(fā)電摩擦生熱蒸汽機(jī)放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)第6頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

我們所消耗的能量，無(wú)論是食物還是電，大部分是太陽(yáng)能輻射到地球后轉(zhuǎn)化而來(lái)的。太陽(yáng)能與其他形式的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系圖二、能量之間的轉(zhuǎn)化第7頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天什么是永動(dòng)機(jī)

蒸汽機(jī)消耗煤炭，內(nèi)燃機(jī)消耗汽油或柴油，電動(dòng)機(jī)消耗電力，有沒(méi)有一種機(jī)器，它不消耗任何燃料或動(dòng)力，卻可以不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，源源不斷的對(duì)外做功呢？這種機(jī)器被稱為永動(dòng)機(jī)。

據(jù)說(shuō)很久很久以前，在印度有一個(gè)被地主壓迫的可憐人，他每天被迫干好多活，終于有一天，這個(gè)可憐的年輕人厭倦了這種生活，他就想：有沒(méi)有一種機(jī)器可以代替我干活呢?它只干活不休息，也不需要什么能量，要是有的話就太好了

據(jù)說(shuō)這個(gè)就是最早的關(guān)于永動(dòng)機(jī)的想法。這個(gè)思想的火花在1200年前從印度出發(fā)，傳到了伊斯蘭教世界，并傳到了西方。第8頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

大約在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)。他的設(shè)計(jì)如圖所示，A是一個(gè)磁石，鐵球C受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經(jīng)曲面BFC返回，復(fù)又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。永動(dòng)機(jī)的夢(mèng)想第9頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天永動(dòng)機(jī)的夢(mèng)想

上世紀(jì)20年代德國(guó)的一張明信片,拿愛(ài)因斯坦開(kāi)玩笑，想想看這個(gè)永動(dòng)機(jī)為什么不行？第10頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天永動(dòng)機(jī)夢(mèng)想的破滅

此外，人們還提出過(guò)利用輪子的慣性、細(xì)管子的毛細(xì)作用、電磁力、流水等獲得有效動(dòng)力的種種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，但都無(wú)一例外地失敗了層出不窮的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，都在科學(xué)的嚴(yán)格審查和實(shí)踐的無(wú)情檢驗(yàn)下一一失敗了。1775年，法國(guó)科學(xué)院宣布“本科學(xué)院以后不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)”。第11頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天永動(dòng)機(jī)的啟示

制造永動(dòng)機(jī)的美好夢(mèng)想雖然破滅了，但是，反思這一失敗的探索過(guò)程，它從反面給人類以啟迪：永動(dòng)機(jī)不可能制成，是不是說(shuō)明自然界存在著一條法則，它使我們不可能無(wú)中生有地獲得能量？也就是說(shuō)自然界各種能量之間存在著一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。第12頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

邁爾在1814年11月25日生于德國(guó)。他的父親是位藥劑師。少年時(shí)代的邁爾，經(jīng)常跟著父親去看制作各種藥品的試驗(yàn)。1838年，邁爾在蒂賓根大學(xué)獲得學(xué)位。25歲的邁爾正式在漢堡開(kāi)業(yè)行醫(yī)。

能量守恒定律的建立過(guò)程邁爾1840到1841年初，邁爾在一艘海輪上當(dāng)了幾個(gè)月的隨船醫(yī)生。這段旅程成為了他在物理學(xué)上作出成就、從醫(yī)學(xué)的途徑得出能量守恒的結(jié)論的起點(diǎn)。邁爾(1814－1878)第13頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1840年2月22日，邁爾跟著船隊(duì)來(lái)到印度尼西亞，當(dāng)時(shí)很多船員患了肺炎，在醫(yī)治中邁爾發(fā)現(xiàn)他們的靜脈血不像生活在溫帶國(guó)家中的人的靜脈血那樣顏色暗淡，而是像動(dòng)脈血那樣新鮮。這一現(xiàn)象引起了邁爾的深思。邁爾認(rèn)為人的血液之所以是紅的是因?yàn)槔锩婧醒?，而食物中含有化學(xué)能，被氧化時(shí)像機(jī)械能一樣可以轉(zhuǎn)化為熱，維持人的體溫。在熱帶高溫情況下，人要維持體溫，機(jī)體只需要吸收較少的熱量，所以機(jī)體中食物的燃燒過(guò)程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。邁爾認(rèn)為，熱能、化學(xué)能、機(jī)械能都是等價(jià)的，而且是可以相互轉(zhuǎn)化的。1842年邁爾從“無(wú)不生有，有不變無(wú)”和“原因等于結(jié)果”的觀念出發(fā)，表述了物理、化學(xué)過(guò)程中各種力(能)的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律的人。

第14頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

能量守恒定律的建立過(guò)程焦耳

英國(guó)物理學(xué)家。1818年12月24日生于索爾福。他父親是釀酒廠的廠主。焦耳從小體弱不能上學(xué)，在家跟父親學(xué)釀酒，并利用空閑時(shí)間自學(xué)化學(xué)、物理。他很喜歡電學(xué)和磁學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)特別感興趣。后來(lái)成為英國(guó)曼徹斯特的一位釀酒師和業(yè)余科學(xué)家。焦耳（1818－1889）第15頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1840年，他發(fā)現(xiàn)將通電的金屬絲放入水中，水會(huì)發(fā)熱，通過(guò)精密的測(cè)試，焦耳發(fā)現(xiàn)了電熱之間的關(guān)系－焦耳定律。

焦耳從1840－1878年近40年的時(shí)間里，研究了電流的熱效應(yīng)，研究了空氣壓縮時(shí)溫度的升高，以及化學(xué)，機(jī)械作用之間的聯(lián)系，他做了400多次實(shí)驗(yàn)，為能量守恒定律的確立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第16頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

亥姆霍茲（1821—1894），德國(guó)物理學(xué)家和生理學(xué)家。1821年10月31日生于柏林波茨坦的一個(gè)中學(xué)教師家庭。中學(xué)畢業(yè)后在軍隊(duì)服役8年，取得公費(fèi)進(jìn)入在柏林的皇家醫(yī)學(xué)科學(xué)院，并柏林大學(xué)旁聽(tīng)。1842年獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位后，被任命為波茨坦駐軍軍醫(yī)。1847年他在新成立的德國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)表了著名的“關(guān)于能量的守恒”的講演，第一次用數(shù)學(xué)方式系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理

。能量守恒定律的建立過(guò)程亥姆霍茲第17頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

能量守恒定律的內(nèi)容

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。某種形式的能減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等．某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。

第18頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

能量守恒定律的意義

能量守恒定律、生物進(jìn)化論、細(xì)胞學(xué)說(shuō)被恩格斯譽(yù)為19世紀(jì)的三個(gè)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。能量守恒定律是在無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，是自然科學(xué)的普遍規(guī)律之一。自然界一切已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過(guò)程都是不可能實(shí)現(xiàn)的，例如“永動(dòng)機(jī)”只能以失敗而告終。機(jī)械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。第19頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天練習(xí)在夏季的時(shí)候，假如打開(kāi)冰箱門(mén)來(lái)使房間溫度降低，是否可行？為什么？不可行。冰箱工作時(shí)要消耗電能，而這些電能最終轉(zhuǎn)化為房間的內(nèi)能，所以房間的溫度不降反升。第20頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性碗中的熱水會(huì)自動(dòng)變涼，你見(jiàn)過(guò)碗中的冷水會(huì)自動(dòng)變熱嗎？1.能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是具有方向性的（不可逆性）如果使能量轉(zhuǎn)化沿反方向進(jìn)行，則必須做功。例：電冰箱將箱內(nèi)食品的熱轉(zhuǎn)移給空氣，就必須消耗電能。2.第二類永動(dòng)機(jī)是不可能的有人想設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器，能自動(dòng)地從低溫?zé)嵩次諆?nèi)能，向高溫?zé)嵩瘁尫?，高溫?zé)嵩磳⒌玫降膬?nèi)能對(duì)外做功，這樣不需要其他動(dòng)力機(jī)械，不消耗其他任何能源，整個(gè)循環(huán)可永遠(yuǎn)進(jìn)行下去。沒(méi)違背能量守恒定律，但違背了能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的不可逆性。第21頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【例6-1】一質(zhì)量為2kg的物塊從離地80m高處自由落下，測(cè)得落地速度為30m/s，求下落過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)能.(g＝10m/s2)【思路】

下落過(guò)程中減少的機(jī)械能變成了內(nèi)能?！敬鸢浮縀=700J第22頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

【例6-2】熱力學(xué)第二定律常見(jiàn)的表述有兩種:

第一種表述：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化；第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化。圖（a）是根據(jù)熱力學(xué)第二定律的第一種表述畫(huà)出的示意圖：外界對(duì)制冷機(jī)做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體。請(qǐng)你根據(jù)第二種表述完成示意圖（b）。根據(jù)你的理解，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是_________。制冷機(jī)低溫物體高溫物體WQ1Q2圖（a）熱機(jī)低溫物體高溫物體圖（b）第23頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是：自然界中進(jìn)行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過(guò)程都具有方向性。

熱機(jī)低溫物體高溫物體圖（b）WQ1Q2第24頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.能源——能夠提供可利用能量的物質(zhì)叫能源。能源是人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源、信息、材料一起構(gòu)成了現(xiàn)代文明的三大支柱。每一種新能源的開(kāi)發(fā)利用和能源利用方式的變革都極大地促進(jìn)下生產(chǎn)力的發(fā)展，并引發(fā)社會(huì)變革，使人類文明前進(jìn)一大步。第八節(jié)能源的開(kāi)發(fā)和利用一.能源及其分類第25頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天人類對(duì)能源的利用經(jīng)過(guò)了三個(gè)時(shí)期柴薪時(shí)期出現(xiàn)年代：五六十萬(wàn)年前火的使用是人類在能源利用上的第一個(gè)里程碑，它使人類脫離了茹毛飲血的時(shí)代。第26頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天煤炭時(shí)期出現(xiàn)年代：2000年前蒸汽機(jī)的廣泛使用，帶動(dòng)了工業(yè)革命和資本主義社會(huì)的成長(zhǎng)。人類對(duì)能源的利用經(jīng)過(guò)了三個(gè)時(shí)期第27頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天石油時(shí)期出現(xiàn)年代：19世紀(jì)80年代內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了19世紀(jì)末，20世紀(jì)初開(kāi)始的機(jī)械化和電氣化進(jìn)程。人類對(duì)能源的利用經(jīng)過(guò)了三個(gè)時(shí)期第28頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.能源的分類能源的分類方法很多。來(lái)自自然界、沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換的能源叫做一次能源

；從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來(lái)的能源叫做二次能源

。一次能源又可分為可再生能源和不可再生能源兩大類。另外能源也可分為常規(guī)能源和新能源。此外，能源還可分為燃料能源和非燃料能源等。新能源的共同特點(diǎn)是資源豐富、可以再生、沒(méi)有污染或很少污染，可以說(shuō)是遠(yuǎn)有前景、近有實(shí)效的能源。

應(yīng)優(yōu)先開(kāi)發(fā)利用的六種新能源：太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒉ɡ四?潮汐能)、氫能、核能第29頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【例題】把下列14種能源按要求分類。⑴煤⑵石油⑶水力⑷汽油⑸核能⑹太陽(yáng)能⑺酒精⑻天然氣⑼液化氣⑽地?zé)幄厦簹猗谐毕堍扬L(fēng)力⒁電㈠屬于一次能源的是：㈡屬于二次能源的是：㈢屬于可再生能源的是：㈣屬于不可再生能源的是：㈤屬于常規(guī)能源的是：㈥屬于新能源的是：㈦屬于燃料能源的是：㈧屬于非燃料能源的是：⑴、⑵、⑶、⑹、⑻、⑽、⑿、⒀⑷、⑸、⑺、⑼、⑾、⒁⑶、⑿、⒀⑴⑵⑷⑺⑻⑼⑾⒁⑴⑵⑶⑷⑺⑻⑼⑾⒁⑸、⑹、⑽、⑿、⒀⑴⑵⑷⑺⑻⑼⑾⑶、⑸、⑹、⑽、⑿、⒀、⒁第30頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【例8-1】某地強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速v＝20m/s，設(shè)空氣密度ρ=1.3kg/m3，如果通過(guò)橫截面積為S=20m2的風(fēng)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電能，則用上述已知量計(jì)算電功率的公式應(yīng)為P=

，大小約為

W(取一位有效數(shù)字)?！敬鸢浮康?1頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天二.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(kāi)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(kāi)發(fā)和利用需要解決一系列技術(shù)問(wèn)題。2.能源的大量使用給人類的生存環(huán)境帶來(lái)了哪些問(wèn)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(wèn)題。第32頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化溫室效應(yīng)使全球氣候變暖1999年北極拍攝兩極冰山融化第33頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化汽車的尾氣第34頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化化石燃料(煤和燃油)的燃燒

空中死神――酸雨

第35頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化大氣污染第36頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

新能源是相對(duì)于傳統(tǒng)的能源來(lái)說(shuō)的，根據(jù)聯(lián)合國(guó)1981年內(nèi)羅畢會(huì)議精神，新能源可定義為：以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)，系統(tǒng)