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第二十二章 能源与可持续发展（知识清单）
第1节 能源
一、人类利用能源的历程
1. 能量
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。常见的能量：如
等。
2. 能源
能够提供 的物质资源叫做能源。生产和生活中利用的各种能量，是通过不同的 提供的。
3. 常见的能源
（1）化石能源
我们使用的 、 、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，称为化石能源。化石能源是当今世界的 能源（选填“主要”或“次要”）。
（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来的供各种用电器使用的能量。
4. 人类利用能源的历程
（1）火的利用
钻木取火是从利用自然火到利用人工火的转变，开启了以 作为主要能源的时代。柴薪燃烧时
的能量转化：化学能→ 能。
（2）化石能源的利用
蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑，直接导致了第二次能源革命，使人类进入工业化社会。
蒸汽机工作时的能量转化：化学能→内能→ 能。
（3）电能的利用
19世纪初，根据 原理，发明了发电机，使化石能源转换成更加便于输送和利用的 能，
电能的利用是人类进入现代文明社会的标志。
电能的优点：①电能便于 。②电能便于 ：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。发电机的能量转化： 能→电能。
（4）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—— ，拉开了以核能为代表的
新能源利用的序幕。核能发电的能量转化：核能→电能。
5. 能源的分类
（1）按照获取方式分为： 能源和 能源。
①一次能源：可以 从自然界获得的能源称为一次能源。化石能源是一次能源，其他常见的
一些能源，如 等也都是一次能源。
②二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过消耗 能源才能得到的能源称为二次能源。
常见的二次能源： 能、汽油、柴油、酒精等。
（2）按照对环境的影响分为： 能源和 能源。
太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能等都属于清洁能源；煤、石油、柴薪等都属于污染
能源。
（3）按照人类开发早晚分为： 能源和 能源。
煤、石油、天然气及水能等属于常规能源；核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等
属于新能源。
（4）按照是否可再生分为：可再生能源和不可再生能源。
①化石能源、核能等能源会越用越少，不能在短期内从自然界得到补充，这类能源称为 能源。
②像风能、水能、太阳能等可以在自然界里源源不断地得到，所以我们把它们称为 能源。
二、21世纪的能源趋势
1. 近几十年来世界能源消耗情况
近几十年来，能源消耗增长速度明显 （选填“加快”或“减慢”）。
2. 能源危机
（1）能源危机发生原因：目前作为人类主要能源的化石能源储量并不丰富，而且化石能源开发利
用后不能 。
（2）解决能源问题的出路：开发使用 能源；更好地利用已知能源。新能源是指人类新近
才开始利用的能源。例如，核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等都属于新能源。
第2节 核能
一、核能
1. 原子的结构
（1）电子的发现十九世纪末，英国物理学家汤姆生在对阴极射线的研究中发现了带负电的 ，并得出电子
是所有物质中原子的组成部分。
（2）原子核的发现
1898年，英国物理学家卢瑟福发现了α射线，做了“α粒子散射实验”。通过对电荷，质量和偏
转角度等的运算，1911年提出了原子结构的行星模型，即原子是由 和核外 组成的。
原子的组成
（3）原子的“电子云模型”
1926年奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出“电子云模型”。该模型中， 在原子核外很小的
空间内做高速运动，其运行没有固定的规律，电子 排布，接近现代人类对原子结构的认识。
2. 原子核的结构
（1）质子的发现
1919年，卢瑟福用速度是20000km/s的α粒子去轰击氮元素的原子核时，发现在原子核中还存在
一种带 电的质量比电子大很多的微粒— 。
（2）中子的发现
中子的概念是由英国物理学家卢瑟福提出，中子的存在是1932年英国物理学家詹姆斯·查德威克用
镭的α射线轰击铍原子时的实验中证实的。物理学家在实验中又进一步发现中子的质量与 相同、
但是不带电。
（3）原子核的组成
原子核，简称“核”，位于原子的核心部分，由 和 两种微粒构成。原子核带 电
（即质子所带的正电），中子 电。
3. 原子的组成及带电情况原子核极小，它的直径在10-16m～10-14m之间，体积只占原于体积的几千亿分之一，在这极小的原
子核里却集中了99.95％以上原子的质量。
4. 核能
（1）核能：质量较大的原子核发生 或者质量较小的原子核相互 ，就有可能释放出惊
人的 ，这就是核能。
（2）释放核能的方式：核 和核 。
二、裂变
1. 裂变
1934至1938年，科学家先后用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生裂变，发现一个核
分裂成两个质量 的原子核，同时释放出大量的 。奇妙的是，铀235核在分裂成两个
别的原子核的时候，又放出 至 个中子。核裂变的能量巨大：1kg铀全部裂变，释放的能量
超过 煤完全燃烧时释放的能量。
核裂变示意图 链式反应示意图
2. 链式反应
当中子轰击铀核时，铀核发生 ，释放大量核能的同时产生出几个新的 ，这些中子又会
轰击其他铀核……于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量 ，这就是裂变中的链式反应。
3. 裂变的应用
（1）核电站
核电站利用裂变产生的核能发电，它的核心设备是 。1942年，人类利用核反应堆第一次
实现了可控制的铀核裂变。①核反应堆：核反应堆是原子核发生链式反应的场所，它能够控制链式反应的 ，缓慢、平
稳地释放 的装置。
②核电站的工作原理及能量转化
核电站将反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽轮机转化为机械能，再通过发电机
转化为电能。核电站发电时的能量转化情况： 能→ 能→ 能→ 能。
③我国的核电站
我国已经自主设计、制造出具有世界先进水平的核电站。其中“华龙一号”核电站在30余年核电
科研、设计、制造、建设和运行经验的基础上，根据福岛核事故经验反馈以及中国和全球最新安全要
求，研发的先进百万千瓦级压水堆核电技术，具有完全自主知识产权的三代压水堆核电创新成果。
（2）原子弹
链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变，释放出极大的 。原子弹就是
根据这一原理制造的。
三、聚变
1. 聚变
如果将某些质量很 的原子核，例如氘核（由一个质子和一个中子构成）与氚核（由一个质子
和两个中子构成），在超 下结合成新的原子核——氦核，也会释放出巨大的 ，这就是聚变。
2. 氢弹
氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。 利用的就
是聚变瞬间释放的能量。
3. 海水中的核能
如何实现可控聚变，如何利用可控聚变释放的核能，科学家正在积极地探索着。海水中蕴藏着丰
富的、可以实现聚变的氘核。科学家预言，通过 来利用核能，有望彻底解决人类能源问题。1升海水所含氘产生的聚变能等同于 升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几
十亿年。
4. 裂变与聚变的比较
裂 变 聚 变
质量较 的原子核分裂 质量很 的原子核结合成
定义
成较 原子核的过程 较 原子核的过程
用一定速度的中子
条件 超高温
轰击较大原子核
释放核能大小 巨大 更加巨大
是否可以控制 可 链式反应速度 目前 人为控制
应用 、原子弹
5. 核电站和核废料处理
核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备。反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，也会
产生 线。如果放射线泄漏到反应堆外面，会对人和其他生物造成伤害，所以核反应堆都封闭在
一个厚厚的钢筋混凝土壳中。
（1）核泄漏的危害
核电站一旦发生核泄漏事故，就可能产生严重的危害，所以核电站的安全性应得到高度重视。为
此，科学家们制订了严格的安全措施和安全标准。
（2）科学家们制定了严格的安全措施和安全标准
以秦山核电站为例，它有三道屏障，用于防止放射性物质的外泄。
第一道屏障是锆-4合金包壳，它把核燃料及其裂变产物封闭起来。
第二道屏障是壁厚为175mm钢板制成的反应堆压力容器及相应的管道设施，它把反应堆冷却剂包
容在里面，防止有放射性的冷却剂外泄。
第三道屏障是反应堆安全壳，它是高72.5m、外径38m、厚1米的钢筋混凝土制成的圆柱形建筑，
内衬6mm的钢板。安全壳也能抵御外部破坏。
（3）核废料的处理
核电站使用过的核燃料成为 。由于核废料仍具有放射性，对环境会造成相当大的危害，
因此要将核废料深埋到人迹稀少的 地带。
第3节 太阳能
一、太阳——巨大的“核能火炉”1. 太阳的结构
如图所示，从内到外依次是太阳核心、 、 、太阳大气 。
2. 太阳能的来源——氢核聚变
在太阳内部，氢原子核在超高温下发生 ，释放出巨大的 能。太阳核心每时每刻都在
发生氢弹爆炸，核心温度高达1500万摄氏度，太阳就像一个巨大的“核能火炉”。太阳至今已经稳定
地“燃烧”了近50亿年，而且还能继续“燃烧” 亿年。
3. 太阳能的传递——热辐射
太阳距地球1.5亿千米，直径大约是地球的110倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万
倍 。太阳核心释放的能量向外扩散，可以传送到太阳表面。太阳表面温度约 ℃，就像一个高
温气体组成的海洋。大部分太阳能以 和 的形式向四周辐射开去。
二、太阳是人类能源的宝库
1. 地球上大多数能源来自于太阳能
由于化石能源、水能、风能、生物质能等都是来太阳能，所以说太阳是人类能源的宝库。人类利
用这些能量，实际上都是间接地利用 能。
2. 化石能源的形成
远古时期陆地和海洋中的植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物体的 能。在它们死后，
躯体埋在地下和海底，经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动，在高压下渐渐变成了 和
。在石油形成过程中还放出 。
3. 风能的形成
由于地球表面各个部位吸收太阳热量的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀
变轻后（密度变小）上升，冷空气冷却（密度变大）后下降，这样冷暖空气便产生 ，形成 。
4. 水能的形成
阳光晒暖了地球表面的水，水吸热蒸发变为水蒸气上升到高空中，水蒸气液化形成的小水滴或凝
华成的小冰晶悬浮在高空中形成云；云中的小水滴或小冰晶相互聚集，最后下降成为 ，雨落到地面，汇入江、河、湖、海中而流动，成为具有动能的 。
5. 太阳能的能量守恒
植物通过光合作用从太阳获取能量，以化学能的形式存储在植物体内，人类和动物从植物或其他
动物获取生物质能以维持生命和人类的各种活动。地球上几乎所有的能源都来自太阳能，太阳能在转
移和转化过程中总量保持 。
三、太阳能的利用
太阳能的直接利用有光电转换和 转换；间接利用有 转换。
1. 光电转换
（1）太阳能电池
太阳能电池，是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件，直接把太阳能转变成 能。光
电池的种类很多，常用的有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。
（2）太阳能电池的一些应用
太阳能电池在生活、生产、航空航天、交通、通信等领域中有着重要的应用。
2. 光热转换
（1）集热器
集热器收集阳光中的能量来加热水等物质，把太阳能直接转化为 能。
（2）集热器的原理
集热器的箱面是玻璃，内部有涂 的吸热板，可以吸收太阳辐射并转化为 能，从而将集
热器管道内的水流加热。
（3）太阳能热电站
这种发电站先将太阳能转变成 能，然后再通过机械能装置转变成 能。
电站中心有一个集热塔，塔顶上装有接收器（锅炉），塔的周围装有平面反射镜（也叫定日镜），
它把阳光反射后集中在锅炉上，把锅炉内的水加热成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽通过管道输送到汽
轮发电机发电。3. 光化转换
光化转换是指把太阳能转化为 能，储存在生物质内。比如绿色植物的生长就是靠太阳能转化
的化学能，所以通过光合作用的植物把太阳能转化为化学能。
4. 太阳能的优缺点
（1）优点
①太阳能取之不尽、用之不竭，是人类可以利用的最丰富的永久性能源。
②太阳能分布广阔，不需要挖掘、开采和运输。
③太阳能是一种清洁能源，使用时没有 。
（2）缺点
①太阳能到达地球上非常分散，接收装置的面积大，造价高。
②太阳能的利用受气候、昼夜的影响很大。因此必须有贮存装置，这不仅增加了技术上的困难，
也使造价增加。
③太阳能电池的成本高，而且每个太阳能电池产生的电压较 （选填“高”或“低”）。
5. 核能、潮汐能与地热能不是太阳能
（1）潮汐能 来源于太阳能。潮汐能是因月球引力的变化引起潮汐现象，导致海平面周期性
升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量。
（2）地热能 来源于太阳能。地热能来源于地球熔融岩浆和放射性物质衰变，这部分能量通
过地壳运动被推压到地面，从而被发现和利用。
（3）核能 来源于太阳能。是来自于原子核内部裂变或聚变释放的能量。（以上均选填
“是”或“不是”）
第4节 能源与可持续发展
一、能量转移和能量转化的方向性
1. 能量的转移具有方向性
在热传递的过程中，热量只能自发地从 温物体转移到 温物体，而不能自发地从低温物体转移到高温物体，所以能量的转移具有 性.
2. 能量的转化具有方向性
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 的能源。
汽车制动时，由于摩擦，动能转化成了轮胎、地面和空气的 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 。
3. 结论：能量的转移和转化具有方向性。
4. 节约能源
实际上，能量的转化、能量的转移，都是有方向性的，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。能源的利用是有 的，我们所能利用的能源是有限的，
所以需要 能源。
二、能源消耗对环境的影响
人类消耗各种能源时给自己带来了便利，但不可避免地对环境造成影响，对环境造成污染。例如，
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 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 是造成空气污染和城市热岛效应的罪魁祸首之一。
（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 ，导致水、土壤的酸化，对植物、建筑物、金属构件造成危害。
（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，并不绝对清洁和安全的，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.
3. 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。
三、能源与可持续发展
1. 可持续发展的两个方向
能源的利用要考虑持续性发展，既要满足当代人的需要，又要考虑后代人的需求。
（1）提高能源的 ，减少在能源使用中对环境的破坏。
（2）开发和利用新的 能源。
2. 不可再生能源和可再生能源
（1）不可再生能源
、核能等能源会越用越少，不能在短期内从自然界得到补充，这类能源称为不可再生能
源。由于全世界能源的消耗逐年上涨，这些不可再生能源会在不太长的时间内消耗殆尽。
（2）可再生能源
像风能、 能、 能等可以在自然界里源源不断地得到，所以把它们称为可再生能源。
可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向。
3. 未来理想能源
未来理想能源须满足的条件：
（1）必须足够丰富，可以保证长期 ；
（2）必须足够便宜，可以保证 人用的起；
（3）相关技术要成熟，可以保证大规模使用；
（4）必须足够安全、 ，可以保证不会严重影响环境。
4. 我国新能源开发和利用的一些实例
（1）敦煌光伏电站吸热塔；（2）河南黄河小浪底发电工程；（3）新疆达坂城风力发电；（4）
秦山核电站；（5）羊八井地热电站；（6）蓝鲸一号南海开采可燃冰等。
