能量轉化與守恒定律能源開發(fā)與利用

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

我們生活在一個復雜而多變的世界中，物質、能量、信息是構成世界的基本要素。能量無處不在，能量轉化無時不有。那么：

⑴常見的能量有那些形式呢？⑵能量的轉化是如何實現(xiàn)的？⑶能量轉化遵循什么規(guī)律呢？⑷能量會被永久地利用嗎？第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天能量形式涵義實例機械能機械能是與物體的運動或位置的高度、形變相關的能量，表現(xiàn)為動能和勢能。流動的河水、被拉開的弓、聲音等內能內能是組成物體的分子的無規(guī)則運動所具有的動能和勢能的總和一切由分子構成的物質電能電能是與電有關的能量電器設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光、紫外線、微波和紅外線等核能核能是一種儲存在原子核內部的能量，原子核發(fā)生核反應時，會釋放出巨大的能量核潛艇、核電站、核武器等化學能化學能是指儲存在化合物的化學鍵里的能量化合物巧克力、燃料等都儲存有化學能一.各種各樣的能量第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.汽艇在海上行駛——化學能轉化為機械能2.用電照明——電能轉化為光能（電磁能）3.篝火燃燒——化學能轉化為內能和光能4.原子彈爆炸——核能轉化為機械能和內能仔細觀察下面的圖片，說明它們具有那種形式的能？涉及哪些形式能量之間的轉化？二.能量之間的轉化第4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天不同形式的能量之間的轉化二、能量之間的轉化第5頁,共46頁，2024年2月25日，星期天二、能量之間的轉化請在下圖的箭頭旁邊填上能量轉化的裝置或過程電動機發(fā)電機生物做功光合作用燃燒物質電燈光電池太陽照射熾熱發(fā)光電加熱地熱發(fā)電摩擦生熱蒸汽機放熱反應吸熱反應第6頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

我們所消耗的能量，無論是食物還是電，大部分是太陽能輻射到地球后轉化而來的。太陽能與其他形式的能量轉化關系圖二、能量之間的轉化第7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天什么是永動機

蒸汽機消耗煤炭，內燃機消耗汽油或柴油，電動機消耗電力，有沒有一種機器，它不消耗任何燃料或動力，卻可以不停地運轉，源源不斷的對外做功呢？這種機器被稱為永動機。

據說很久很久以前，在印度有一個被地主壓迫的可憐人，他每天被迫干好多活，終于有一天，這個可憐的年輕人厭倦了這種生活，他就想：有沒有一種機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

據說這個就是最早的關于永動機的想法。這個思想的火花在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,共46頁，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現(xiàn)永動機。他的設計如圖所示，A是一個磁石，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，經曲面BFC返回，復又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運動下去。永動機的夢想第9頁,共46頁，2024年2月25日，星期天永動機的夢想

上世紀20年代德國的一張明信片,拿愛因斯坦開玩笑，想想看這個永動機為什么不行？第10頁,共46頁，2024年2月25日，星期天永動機夢想的破滅

此外，人們還提出過利用輪子的慣性、細管子的毛細作用、電磁力、流水等獲得有效動力的種種永動機設計方案，但都無一例外地失敗了層出不窮的永動機設計方案，都在科學的嚴格審查和實踐的無情檢驗下一一失敗了。1775年，法國科學院宣布“本科學院以后不再審查有關永動機的一切設計”。第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天永動機的啟示

制造永動機的美好夢想雖然破滅了，但是，反思這一失敗的探索過程，它從反面給人類以啟迪：永動機不可能制成，是不是說明自然界存在著一條法則，它使我們不可能無中生有地獲得能量？也就是說自然界各種能量之間存在著一定的轉化關系。第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

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

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

1840年2月22日，邁爾跟著船隊來到印度尼西亞，當時很多船員患了肺炎，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家中的人的靜脈血那樣顏色暗淡，而是像動脈血那樣新鮮。這一現(xiàn)象引起了邁爾的深思。邁爾認為人的血液之所以是紅的是因為里面含有氧，而食物中含有化學能，被氧化時像機械能一樣可以轉化為熱，維持人的體溫。在熱帶高溫情況下，人要維持體溫，機體只需要吸收較少的熱量，所以機體中食物的燃燒過程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。邁爾認為，熱能、化學能、機械能都是等價的，而且是可以相互轉化的。1842年邁爾從“無不生有，有不變無”和“原因等于結果”的觀念出發(fā)，表述了物理、化學過程中各種力(能)的轉化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律的人。

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能量守恒定律的建立過程焦耳

英國物理學家。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，在家跟父親學釀酒，并利用空閑時間自學化學、物理。他很喜歡電學和磁學，對實驗特別感興趣。后來成為英國曼徹斯特的一位釀酒師和業(yè)余科學家。焦耳（1818－1889）第15頁,共46頁，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，水會發(fā)熱，通過精密的測試，焦耳發(fā)現(xiàn)了電熱之間的關系－焦耳定律。

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

亥姆霍茲（1821—1894），德國物理學家和生理學家。1821年10月31日生于柏林波茨坦的一個中學教師家庭。中學畢業(yè)后在軍隊服役8年，取得公費進入在柏林的皇家醫(yī)學科學院，并柏林大學旁聽。1842年獲醫(yī)學博士學位后，被任命為波茨坦駐軍軍醫(yī)。1847年他在新成立的德國物理學會發(fā)表了著名的“關于能量的守恒”的講演，第一次用數學方式系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理

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

能量守恒定律的內容

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為別的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。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。

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能量守恒定律的意義

能量守恒定律、生物進化論、細胞學說被恩格斯譽為19世紀的三個最偉大的科學發(fā)現(xiàn)。能量守恒定律是在無數實驗事實的基礎上建立起來的，是自然科學的普遍規(guī)律之一。自然界一切已經實現(xiàn)的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過程都是不可能實現(xiàn)的，例如“永動機”只能以失敗而告終。機械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。第19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天練習在夏季的時候，假如打開冰箱門來使房間溫度降低，是否可行？為什么？不可行。冰箱工作時要消耗電能，而這些電能最終轉化為房間的內能，所以房間的溫度不降反升。第20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天四、能量轉化和轉移的方向性碗中的熱水會自動變涼，你見過碗中的冷水會自動變熱嗎？1.能量的轉化和轉移是具有方向性的（不可逆性）如果使能量轉化沿反方向進行，則必須做功。例：電冰箱將箱內食品的熱轉移給空氣，就必須消耗電能。2.第二類永動機是不可能的有人想設計一臺機器，能自動地從低溫熱源吸收內能，向高溫熱源釋放，高溫熱源將得到的內能對外做功，這樣不需要其他動力機械，不消耗其他任何能源，整個循環(huán)可永遠進行下去。沒違背能量守恒定律，但違背了能量轉化和轉移的不可逆性。第21頁,共46頁，2024年2月25日，星期天【例6-1】一質量為2kg的物塊從離地80m高處自由落下，測得落地速度為30m/s，求下落過程中產生的內能.(g＝10m/s2)【思路】

下落過程中減少的機械能變成了內能?！敬鸢浮縀=700J第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

【例6-2】熱力學第二定律常見的表述有兩種:

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做功，而不引起其他變化。圖（a）是根據熱力學第二定律的第一種表述畫出的示意圖：外界對制冷機做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體。請你根據第二種表述完成示意圖（b）。根據你的理解，熱力學第二定律的實質是_________。制冷機低溫物體高溫物體WQ1Q2圖（a）熱機低溫物體高溫物體圖（b）第23頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

熱力學第二定律的實質是：自然界中進行的與熱現(xiàn)象有關的宏觀物理過程都具有方向性。

熱機低溫物體高溫物體圖（b）WQ1Q2第24頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.能源——能夠提供可利用能量的物質叫能源。能源是人類社會發(fā)展進步的物質基礎。能源、信息、材料一起構成了現(xiàn)代文明的三大支柱。每一種新能源的開發(fā)利用和能源利用方式的變革都極大地促進下生產力的發(fā)展，并引發(fā)社會變革，使人類文明前進一大步。第八節(jié)能源的開發(fā)和利用一.能源及其分類第25頁,共46頁，2024年2月25日，星期天人類對能源的利用經過了三個時期柴薪時期出現(xiàn)年代：五六十萬年前火的使用是人類在能源利用上的第一個里程碑，它使人類脫離了茹毛飲血的時代。第26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天煤炭時期出現(xiàn)年代：2000年前蒸汽機的廣泛使用，帶動了工業(yè)革命和資本主義社會的成長。人類對能源的利用經過了三個時期第27頁,共46頁，2024年2月25日，星期天石油時期出現(xiàn)年代：19世紀80年代內燃機的發(fā)展推動了19世紀末，20世紀初開始的機械化和電氣化進程。人類對能源的利用經過了三個時期第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天2.能源的分類能源的分類方法很多。來自自然界、沒有經過加工或轉換的能源叫做一次能源

；從一次能源直接或間接轉化而來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。新能源的共同特點是資源豐富、可以再生、沒有污染或很少污染，可以說是遠有前景、近有實效的能源。

應優(yōu)先開發(fā)利用的六種新能源：太陽能、風能、地熱能、波浪能(潮汐能)、氫能、核能第29頁,共46頁，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太陽能⑺酒精⑻天然氣⑼液化氣⑽地熱⑾煤氣⑿潮汐能⒀風力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,共46頁，2024年2月25日，星期天【例8-1】某地強風風速v＝20m/s，設空氣密度ρ=1.3kg/m3，如果通過橫截面積為S=20m2的風的動能全部轉化為電能，則用上述已知量計算電功率的公式應為P=

，大小約為

W(取一位有效數字)。【答案】第31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天二.能源危機與環(huán)境污染1.為什么人類社會發(fā)展會有能源危機的發(fā)生？①常規(guī)能源儲量有限，開發(fā)不合理，浪費嚴重；②人類社會發(fā)展對能源的需求日益增加；③新能源的開發(fā)和利用需要解決一系列技術問題。2.能源的大量使用給人類的生存環(huán)境帶來了哪些問題？①酸雨②溫室效應③臭氧層的破壞④土壤酸性化⑤生態(tài)平衡的破壞……

能源危機和能源利用對環(huán)境所造成的污染與破壞已成為人類共同關注的世界性問題。第32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化溫室效應使全球氣候變暖1999年北極拍攝兩極冰山融化第33頁,共46頁，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化汽車的尾氣第34頁,共46頁，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,共46頁，2024年2月25日，星期天環(huán)境惡化大氣污染第36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

新能源是相對于傳統(tǒng)的能源來說的，根據聯(lián)合國1981年內羅畢會議精神，新能源可定義為：以新技術和新材料為基礎，系統(tǒng)