第十一章 能源与可持续发展（知识清单）物理教科版2024九年级下册

第十一章 能源与可持续发展（知识清单） 思维导图 第1节 跨学科实践：能量从哪里来 一、形形色色的能量 1. 物体具有的能量 常见的能量形式及生活举例： 能量形式 生活举例 机械能 流水、风车、跑步 内能 热水、炉火、取暖 电能 电灯、手机、电机 光能 阳光、激光、蜡烛 化学能 食物、燃料、电池 核能 核电站、原子弹 2. 能量的主要来源 　　人类生产、生活中利用的能量，大都来自太阳，辐射到地球的太阳能总功率达1.7×1017W。太阳能通过多种途径转化为其他形式的能量，参与到地球的各类活动和人类生活中，例如： 直接利用：太阳能热水器将太阳能转化为内能； 间接转化：太阳能促成风的形成、水循环，还能供动植物生长，而动植物遗体经过漫长变化形成石油、天然气、煤等化石燃料，这些燃料储存着化学能； 多形式应用：太阳能转化的风能、水能可发电，化石燃料燃烧释放的化学能、电能又能为机床、笔记本电脑、家庭影院、燃气灶、汽车等各类设备和交通工具供能。 二、追踪能量的流动 能量的流动与转化转移 （1）简单场景的能量流动 　　以手抛皮球从起落到静止的过程为例，存在清晰的能量转化： 人体的化学能先转化为皮球的动能，皮球在运动和与地面碰撞过程中，能量不断转化，最终以内能的形式散失，皮球静止。 （2）典型案例：水稻从土壤到餐桌的能量转化与转移 　　以水稻种子的生长、加工、食用及人体利用为完整链条，各环节的能量输入、输出、转化转移形式及跨学科依据明确，且水稻相关能量的最终源头为太阳能，具体环节如下： 水稻生长 输入能量形式 输出能量形式 能量的转化转移 跨学科依据 水稻幼苗 光合作用 太阳能（光能） 化学能 （水稻植株） 转化（光能→化学能） 生物（光合作用）、化学（有机物合成） 水稻生长 结实 化学能（植株自身） 化学能（稻谷种子） 转移（同形式能量传递） 生物（生长代谢） 稻谷加工成大米 化学能（稻谷） 化学能（大米） 转移（无能量形式改变） 物理（机械加工，无新物质生成） 电能 / 燃料煮米饭 电能 / 化学能（燃料） 内能（米饭） 转化（电能 / 化学能→内能） 物理（热传递）、化学（燃料燃烧） 人体消化吸收米饭 化学能（米饭） 化学能（人体细胞） 转移（营养物质能量传递） 生物（消化代谢）、化学（物质分解） 人食用后跑步活动 化学能（人体细胞） 动能 + 内能（人体） 转化（化学能→动能 + 内能） 物理（运动力学）、生物（能量利用） 三、实践活动评价 1. 涉及的跨学科知识 （1）物理学：能量形式判断、能量转化与转移规律、热传递（煮饭环节）、运动力学（人体活动环节）； （2）生物学：植物光合作用、生物生长代谢、人体消化吸收、食物链能量传递； （3）化学：有机物合成（光合作用）、燃料燃烧（化学能转化）、食物中营养物质分解（消化环节）； （4）技术学科：稻谷机械加工（物理加工技术）、电能利用（能源技术应用）。 2.围绕的物理概念和规律： （1）核心概念：能量的多种形式（太阳能、化学能、内能、动能）；能量的转化（一种能量转化为另一种能量）；能量的转移（同形式能量从一个物体 / 系统到另一个物体 / 系统）。（2）关键规律 ①能量守恒定律：整个过程中能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为其他形式，或从一个物体转移到另一个物体，总量保持不变。 ②能量转化的方向性：如太阳能只能通过光合作用单向转化为生物化学能，内能难以自发转化为其他形式的能量。 3.实践活动成果： （1）完成 “水稻从土壤到餐桌” 的能量链条表格，梳理关键环节的能量输入、输出及变化类型； （2）明确水稻相关能量的源头是太阳能，构建 “太阳能→生物化学能→内能→动能” 的能量流动逻辑； （3）实现跨学科知识的融合应用，能用物理、生物、化学知识共同解释同一实践场景。 4.探究得出的观点： （1）生活中绝大多数食物的能量最终都来自太阳，光合作用是连接无机环境与生物界能量的关键桥梁； （2）能量的转化与转移贯穿于生产生活的各个环节，跨学科视角能帮助更全面地理解能量流动的本质； （3）认识能量链条有助于树立节能意识，减少能量转化转移过程中的浪费，践行可持续发展理念； （4）物理中的能量规律是解释自然现象和生活场景的核心工具，与生物、化学等学科紧密关联、不可分割。 5.探究中提出的待解问题： （1）水稻生长过程中，除了太阳能，是否还有其他能量参与？这些能量的占比如何？ （2）煮饭时，电能 / 燃料化学能转化为米饭内能的效率是多少？如何提高这一转化效率？ （3）人体消化米饭后，化学能转化为动能的过程中，会有多少能量以热能形式散失？这一比例是否固定？ （4）如果种植水稻时使用了化肥，化肥的生产过程是否会引入其他能量源头？这会改变 “最终能量来自太阳” 的结论吗？ 第2节 能量守恒定律 一、能量守恒定律 （1）内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。 （2）理解：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，适用于所有自然现象和过程。 （3）应用示例： ①行驶的燃油汽车：燃料的化学能 → 燃气的内能 → 机械能。能量总和保持不变。 ②摆动的秋千高度降低：机械能逐渐转化为内能（克服摩擦和空气阻力做功），总能量守恒。 ③木块在水平面上滑动停下：动能转化为内能。 （4）运用能量守恒定律分析问题： 在行驶的燃油汽车中，燃料的化学能通过燃烧转化为燃气的内能，再通过发动机做功把内能转化为机械能。在这个过程中，燃料的化学能一部分转化为机械能，一部分转化为发动机和周围环境的内能，能量的总量不变。 W化学=W有用+W1+W2+ W3 二、永动机是不可能实现的 （1）永动机的设想：人们设想制造一种不需要动力，就能源源不断对外做功的机器，这类机器被称为永动机。 （2）无法实现的原理：能量守恒定律表明，任何机器只能实现能量的形式转化，不能无中生有地制造能量，这从根本上决定了永动机无法造出。 三、能量转化的效率 1. 输出能量的分类：在能量转换过程中，输出能量分为易利用能量和难利用能量： （1）易利用能量：人们实际需要、想要获取的能量； （2）难利用能量：能量转换过程中流失、散逸掉的能量； （3）核心特点：所有能量利用过程中，能量损耗均不可避免。 2. 能量转化效率的计算 （1）能量守恒关系： 输入能量 = 输出有效能量 + 输出无效能量 （输出有效能量即易利用能量，输出无效能量即难利用能量）； （2）效率公式： （3）关键结论：在任何情况下，能量转化效率η都小于1 3. 常见的能量转化效率类型 （1）电效率：功率输出与总耗电的比例； （2）机械效率：一种机械能转换为另一种机械能或机械功的比例； （3）热效率 / 燃料效率：可用的热或功输出与输入能量（或消耗燃料对应能量）的比例； （4）总效率：多用于汽电共生场合，可用的电能及热能与输入能量的比例； （5）照明效率：产生的电磁辐射中处于可见光范围内的比例。 4. 计算实例 例：某电热水壶中水的质量为1kg，初温为40℃，加热6.5min 后水温升至95℃，电热水壶额定功率为800W，求其能量转化效率。 解：水吸收的有效热量：Q吸= cmΔt = 4.2J/(kg·℃)×10³×1kg×(95℃-40℃) = 2.31×10⁵J 消耗的的输入电能 W总= Pt = 800W×390s = 3.12×10⁵J 该电热水壶能量转化的效率为η= (Q吸/ W总)×100% = (2.31×10⁵J/ 3.12×10⁵J)×100%≈74% 答：该电热水壶能量转化的效率为74%。 第3节 能源 一、能量转化和转移的方向性 1. 现象规律： 涉及热现象的能量转化和转移过程具有方向性、不可逆性，生活中诸多逆向的能量变化现象无法自发发生， 例如：一杯水无法自发出现部分吸热沸腾、部分放热结冰的情况；枯萎的花不能自发从空气中吸收能量和水分重焕生机；汽车无法从空气和尾气中吸收能量实现无燃料返程；坡底巨石不能自发获取能量滚向坡顶。 2.核心原理： 　　若能量转化和转移过程中存在热量散失，该过程无法自发沿反方向进行，想要实现逆向变化，必须耗费额外的能量予以补充。 3.节能的原因: 在现实宏观世界中，对能量的利用必然会产生内能的生成与转移，每一次能量利用，都会减少世界上可利用、便于利用的能量总量。因此尽管能量守恒，仍需要节约能源。 二、能源的分类 1. 能源的定义： 　　能够提供热、光、机械能和电能等各种形式能量的来源，称为能源，广泛应用于生产和生活的各类能量供给。 2.人类利用能源的历程： （1）人类对能源的利用随技术发展逐步升级，核心能源不断更替： →钻木取火开启柴薪能源时代，柴薪为主要能源； →蒸汽机发明后，实现内能向机械能的转化，主要能源从柴薪转向煤； →内燃机出现，世界进入石油时代，化石能源成为核心； →电能的广泛应用开启新时代，成为现代社会最主要的能源之一。 （2）典型能源介绍： ①化石能源：煤、石油和天然气属于化石能源，由千百万年前埋在地下的动植物，经过漫长地质年代的复杂变化形成，是目前人类大规模使用的核心能源。 ②电能：现代社会最主要、最方便使用的能源之一，具有便于输送和转化的特点，各类用电设备可将电能转化为光、热、机械能等其他形式的能量，满足生产生活多样需求。 3. 能源的分类： 分类依据 类别 含义与实例 产生方式 一次能源 从自然界直接取得。如：煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能、核能。 二次能源 由一次能源加工转换而来。如：电能、汽油、柴油、煤气、焦炭。 再生性 可再生能源 可不断得到补充。如：太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、生物质能。 不可再生能源 短期无法再生。如：煤、石油、天然气。 利用状况 常规能源 被广泛利用。如：煤、石油、天然气、水能。 新能源 正在积极研究推广。如：太阳能、核能、地热能、潮汐能、氢能。 对环境的影响 清洁型能源（绿色能源） 不排放污染物。如：太阳能、水能、风能、核能（可再生能源及核能）。 污染型能源 使用中排放污染物。如：煤、石油。 第4节 核能 一、原子核与核能 1. 原子核的构成 （1）物质的构成层级： 常见物质由分子、原子构成，原子由原子核和核外电子组成。 （2）原子核的内部结构： 1932 年物理学家发现，原子核由质子和中子组成；质子带正电，电荷量与电子相等，中子不带电。 （3）核子结合力：质子和中子依靠强大的核力紧密结合在一起。 2. 核能 （1）核能定义： 也叫原子能，质量较大的原子核发生分裂，或质量较小的原子核相互结合时，释放出的惊人能量即为核能。 （2）核能的两种产生方式： ①重核裂变：质量较大的原子核分裂成较轻的原子核的过程。 ②轻核聚变：质量较小的原子核结合成较重的原子核的过程。 二、裂变及其利用 1. 裂变与链式反应 （1）裂变：重原子核分裂成较轻的原子核，人类通过中子轰击铀核实现可控裂变，铀核裂变时，释放能量的同时会释放 2～3 个中子。 （2）链式反应：铀核裂变释放的中子再轰击其他铀核，使裂变反应持续进行的过程，类似骨牌的连锁反应 2. 核裂变的应用 （1）不加控制的链式反应： 大量原子核瞬间裂变释放极大能量，原子弹基于此原理制成。 （2）可控制的链式反应： ①核心装置：核反应堆，能够控制链式反应的装置。 ②核电站：利用核反应堆释放的能量使水汽化，推动蒸汽轮机带动发电机发电； 能量转化过程为：核能→内能→机械能→电能。 ③核电站核心结构：包含核燃料（铀）、慢化剂（石墨）、控制棒（镉或硼）、保护层等，分核蒸汽供应系统（一回路）和汽轮机发电系统（二回路）。 3. 核辐射的防护 （1）核反应堆设厚重保护层的原因：核燃料具有强烈放射性，会发出射线引发电离辐射，无防护会严重伤害人体。 （2）核辐射防护措施： ①防止超标的放射性物质扩散，人体避免靠近； ②放射性实验室用铅板、有机玻璃做隔离防护； ③核泄漏、原子弹爆炸等突发事件中，利用地形和建筑物做掩体； ④核废料放入特制容器深埋封存，待后续处理。 相关事实：2023 年 8 月日本单方面强行将核污染水排海，无视国际社会反对。 二、聚变及其利用 1. 聚变 （1）定义：也叫热核反应，轻原子核在特定条件下结合成较重的原子核，同时释放巨大能量的过程；例如氘核与氚核在超高温、高压下结合成氦核，释放核能。 （2）聚变条件：超高温（是实现聚变的核心条件）。 （2）能量特点：聚变释放的核能远大于引发聚变消耗的能量，太阳能就是太阳内部氢核聚变的产物，自46亿年前持续至今。 2. 核聚变的应用 （1）不加控制的聚变：大量氢核聚变瞬间释放惊人能量，氢弹基于此原理制成。 （2）可控核聚变：目前仍处于科学家探索阶段，暂无成熟应用；中国的环流器 EAST 实现了1000s以上长时间运行，“神光 Ⅲ” 为激光约束核聚变研究装置。 3. 可控核聚变的意义 海水中蕴藏着丰富的聚变原料氘，可控核聚变的实现，有望彻底解决人类面临的能源问题。 三、核裂变和核聚变的区别 对比维度 裂变 聚变 定义 较大原子核分裂为较小原子核的过程 质量小的原子核结合成较大原子核的过程 条件 中子轰击较大原子核 超高温 释放核能的大小 巨大 更加巨大 是否可控 裂变的链式反应可控制 目前不可控 应用 原子弹、核电站 氢弹、太阳内部反应 第5节 能源与可持续发展 一、能源结构的变迁 1. 人类能源发展阶段： →第一代主体能源：柴薪，是人类最早的主要能源形式。 →农耕时代：动力以人力、畜力为主，辅以部分水力，无规模化化石能源利用。 →蒸汽机时代：煤炭成为主要能源，推动第一次工业革命发展。 →内燃机时代：开创以燃油为主体燃料的时代，能源利用形式进一步升级。 →电气化时代：电被广泛应用，开启第二次工业革命，能源利用向电气化、精细化发展。 2.能源发展的现状困境： 　　20世纪以来，人类物质文明快速发展伴随能源大量消耗，能源危机呼声日渐高涨，成为人类共同面临的问题。 二、能源危机的成因与表现 1. 能量转化的固有特性： 涉及热现象的能量转化和转移具有方向性、不可逆性：热量可自发从高温物体转移到低温物体，反向转移则需消耗其他形式的能量，这决定了能源利用无法完全回收，存在天然损耗。 2. 常规能源消耗危机 社会化大生产带来巨量能源需求，煤、石油、天然气等常规化石能源因持续开采储量不断减少，形成全球性 “能源危机”。 三、碳达峰 碳中和 1. 化石能源引发的环境污染 　　化石能源利用中会大量排放硫化物、碳氧化物和粉尘，对环境和生态系统造成严重破坏，主要表现为： （1）酸雨：侵蚀雕像、破坏森林，造成生态系统损伤； （2）温室效应：引发气候变暖、冰面融化，改变全球气候格局； （3）热岛效应：导致局部地区气温高于周边，影响城市生态环境。 2. 碳达峰与碳中和 （1）碳达峰：二氧化碳排放量在某个时间点达到峰值，之后排放量逐步回落。 （2）碳中和：通过降低化石能源消费占比、节能减排，结合植树造林等方式吸收二氧化碳，使二氧化碳排放量与吸收量相互抵消，实现相对 “零排放”。 （3）我国的双碳承诺：2020年9月22日，我国宣布力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，为全球应对气候变化注入动力。 四、能源安全 1. 能源利用中的安全问题　　 　　能源安全指因突发事件导致的能源短缺或能量供应中断，典型案例包括 2019 年美国纽约停电事件、2022 年中国多省限电、2026 年俄罗斯对乌克兰能源设施攻击引发的乌克兰大面积停电。 2．解决能源问题的核心对策 （1）主观层面：树立全民节能意识，通过技术创新提高能源利用效率，减少废气物排放； （2）客观层面：依靠科技研发开发清洁型能源，强化能源利用中的防护措施，提升能源使用的安全性。 五、我国新能源战略与绿色发展 　　碳达峰、碳中和、能源安全已纳入我国经济社会发展全局，我国从多方面推进能源绿色转型，构建新型能源体系： 1. 优化产业与能源结构：推动产业结构、能源结构、交通运输结构的调整优化，2013-2022 年我国一次能源生产结构中，原煤占比逐步下降，天然气、一次电力及其他能源占比稳步提升，能源结构持续升级。 2．建设新型能源体系 　　电力作为重要二次能源，我国发电量长期稳居世界第一，2022 年电力生产量达 88487 亿千瓦时，其中火电 58888 亿千瓦时、水电 13522 亿千瓦时、风电 7627 亿千瓦时、核电 4078 亿千瓦时；我国在核能、太阳能、风力、水力发电领域技术水平居世界前列，同时在地热能、潮汐能、氢能利用上持续尝试与创新。 3．新能源应用成果 2025年3月25日，我国自主研制的首列氢能源市域列车成功达速试跑，最高续航里程超 1000km；地表以下10km内丰富的地热能也已被开发用于发电，新能源应用场景不断拓展。 学科网（北京）股份有限公司 $ 第十一章 能源与可持续发展（知识清单） 思维导图 第1节 跨学科实践：能量从哪里来 一、形形色色的能量 1. 物体具有的能量 常见的能量形式及生活举例： 能量形式 生活举例 　　能 流水、风车、跑步 　能 热水、炉火、取暖 　能 电灯、手机、电机 光能 阳光、激光、蜡烛 化学能 食物、燃料、电池 核能 核电站、原子弹 2. 能量的主要来源 　　人类生产、生活中利用的能量，大都来自　　，辐射到地球的太阳能总功率达1.7×1017W。太阳能通过多种途径转化为其他形式的能量，参与到地球的各类活动和人类生活中，例如： 直接利用：太阳能热水器将太阳能转化为内能； 间接转化：太阳能促成风的形成、水循环，还能供动植物生长，而动植物遗体经过漫长变化形成石油、天然气、煤等化石燃料，这些燃料储存着化学能； 多形式应用：太阳能转化的风能、水能可发电，化石燃料燃烧释放的化学能、电能又能为机床、笔记本电脑、家庭影院、燃气灶、汽车等各类设备和交通工具供能。 二、追踪能量的流动 能量的流动与转化转移 （1）简单场景的能量流动 　　以手抛皮球从起落到静止的过程为例，存在清晰的能量转化： 人体的　　能先转化为皮球的　　能，皮球在运动和与地面碰撞过程中，能量不断转化，最终以　能的形式散失，皮球静止。 （2）典型案例：水稻从土壤到餐桌的能量转化与转移 　　以水稻种子的生长、加工、食用及人体利用为完整链条，各环节的能量输入、输出、转化转移形式及跨学科依据明确，且水稻相关能量的最终源头为　　能，具体环节如下： 水稻生长 输入能量形式 输出能量形式 能量的转化转移 跨学科依据 水稻幼苗 光合作用 太阳能（光能） 化学能 （水稻植株） 转化（光能→化学能） 生物（光合作用）、化学（有机物合成） 水稻生长 结实 化学能（植株自身） 化学能（稻谷种子） 转移（同形式能量传递） 生物（生长代谢） 稻谷加工成大米 化学能（稻谷） 化学能（大米） 转移（无能量形式改变） 物理（机械加工，无新物质生成） 电能 / 燃料煮米饭 电能 / 化学能（燃料） 内能（米饭） 转化（电能 / 化学能→内能） 物理（热传递）、化学（燃料燃烧） 人体消化吸收米饭 化学能（米饭） 化学能（人体细胞） 转移（营养物质能量传递） 生物（消化代谢）、化学（物质分解） 人食用后跑步活动 化学能（人体细胞） 动能 + 内能（人体） 转化（化学能→动能 + 内能） 物理（运动力学）、生物（能量利用） 三、实践活动评价 1. 涉及的跨学科知识 （1）物理学：能量形式判断、能量转化与转移规律、热传递（煮饭环节）、运动力学（人体活动环节）； （2）生物学：植物光合作用、生物生长代谢、人体消化吸收、食物链能量传递； （3）化学：有机物合成（光合作用）、燃料燃烧（化学能转化）、食物中营养物质分解（消化环节）； （4）技术学科：稻谷机械加工（物理加工技术）、电能利用（能源技术应用）。 2.围绕的物理概念和规律： （1）核心概念：能量的多种形式（太阳能、化学能、内能、动能）；能量的转化（一种能量转化为另一种能量）；能量的转移（同形式能量从一个物体 / 系统到另一个物体 / 系统）。（2）关键规律 ①能量守恒定律：整个过程中能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为其他形式，或从一个物体转移到另一个物体，总量保持不变。 ②能量转化的方向性：如太阳能只能通过光合作用单向转化为生物化学能，内能难以自发转化为其他形式的能量。 3.实践活动成果： （1）完成 “水稻从土壤到餐桌” 的能量链条表格，梳理关键环节的能量输入、输出及变化类型； （2）明确水稻相关能量的源头是太阳能，构建 “太阳能→生物化学能→内能→动能” 的能量流动逻辑； （3）实现跨学科知识的融合应用，能用物理、生物、化学知识共同解释同一实践场景。 4.探究得出的观点： （1）生活中绝大多数食物的能量最终都来自太阳，光合作用是连接无机环境与生物界能量的关键桥梁； （2）能量的转化与转移贯穿于生产生活的各个环节，跨学科视角能帮助更全面地理解能量流动的本质； （3）认识能量链条有助于树立节能意识，减少能量转化转移过程中的浪费，践行可持续发展理念； （4）物理中的能量规律是解释自然现象和生活场景的核心工具，与生物、化学等学科紧密关联、不可分割。 5.探究中提出的待解问题： （1）水稻生长过程中，除了太阳能，是否还有其他能量参与？这些能量的占比如何？ （2）煮饭时，电能 / 燃料化学能转化为米饭内能的效率是多少？如何提高这一转化效率？ （3）人体消化米饭后，化学能转化为动能的过程中，会有多少能量以热能形式散失？这一比例是否固定？ （4）如果种植水稻时使用了化肥，化肥的生产过程是否会引入其他能量源头？这会改变 “最终能量来自太阳” 的结论吗？ 第2节 能量守恒定律 一、能量守恒定律 （1）内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量　　　　　。 （2）理解：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，适用于所有自然现象和过程。 （3）应用示例： ①行驶的燃油汽车：燃料的化学能 → 燃气的内能 → 机械能。能量总和保持不变。 ②摆动的秋千高度降低：机械能逐渐转化为内能（克服摩擦和空气阻力做功），总能量守恒。 ③木块在水平面上滑动停下：动能转化为内能。 （4）运用能量守恒定律分析问题： 在行驶的燃油汽车中，燃料的化学能通过燃烧转化为燃气的内能，再通过发动机做功把内能转化为机械能。在这个过程中，燃料的化学能一部分转化为机械能，一部分转化为发动机和周围环境的内能，能量的总量不变。 W化学=W有用+W1+W2+ W3 二、永动机是不可能实现的 （1）永动机的设想：人们设想制造一种不需要动力，就能源源不断对外做功的机器，这类机器被称为永动机。 （2）无法实现的原理：能量守恒定律表明，任何机器只能实现能量的形式转化，不能无中生有地制造能量，这从根本上决定了永动机无法造出。 二、能量转化的效率 1. 输出能量的分类：在能量转换过程中，输出能量分为易利用能量和难利用能量： （1）易利用能量：人们实际需要、想要获取的能量； （2）难利用能量：能量转换过程中流失、散逸掉的能量； （3）核心特点：所有能量利用过程中，能量损耗均不可避免。 2. 能量转化效率的计算 （1）能量守恒关系： 输入能量 = 输出有效能量 + 输出　　　　　 （输出有效能量即易利用能量，输出无效能量即难利用能量）； （2）效率公式： （3）关键结论：在任何情况下，能量转化效率η都小于　 3.常见的能量转化效率类型 （1）电效率：功率输出与总耗电的比例； （2）机械效率：一种机械能转换为另一种机械能或机械功的比例； （3）热效率 / 燃料效率：可用的热或功输出与输入能量（或消耗燃料对应能量）的比例； （4）总效率：多用于汽电共生场合，可用的电能及热能与输入能量的比例； （5）照明效率：产生的电磁辐射中处于可见光范围内的比例。 4. 计算实例 例：某电热水壶中水的质量为1kg，初温为40℃，加热6.5min 后水温升至95℃，电热水壶额定功率为800W，求其能量转化效率。 解：水吸收的有效热量：Q吸= cmΔt = 4.2J/(kg·℃)×10³×1kg×(95℃-40℃) = 2.31×10⁵J 消耗的的输入电能 W总= Pt = 800W×390s = 3.12×10⁵J 该电热水壶能量转化的效率为η= (Q吸/ W总)×100% = (2.31×10⁵J/ 3.12×10⁵J)×100%≈74% 答：该电热水壶能量转化的效率为74%。 第3节 能源 一、能量转化和转移的方向性 1. 现象规律： 涉及热现象的能量转化和转移过程具有　　　、　　　　　，生活中诸多逆向的能量变化现象无法自发发生， 例如：一杯水无法自发出现部分吸热沸腾、部分放热结冰的情况；枯萎的花不能自发从空气中吸收能量和水分重焕生机；汽车无法从空气和尾气中吸收能量实现无燃料返程；坡底巨石不能自发获取能量滚向坡顶。 2.核心原理： 　　若能量转化和转移过程中存在热量散失，该过程无法自发沿反方向进行，想要实现逆向变化，必须耗费额外的能量予以补充。 3.节能的原因: 在现实宏观世界中，对能量的利用必然会产生内能的生成与转移，每一次能量利用，都会减少世界上可利用、便于利用的能量总量。因此尽管能量守恒，仍需要节约能源。 二、能源的分类 1. 能源的定义： 　　能够提供热、光、机械能和电能等各种形式能量的来源，称为　　，广泛应用于生产和生活的各类能量供给。 2.人类利用能源的历程： （1）人类对能源的利用随技术发展逐步升级，核心能源不断更替： →钻木取火开启　　　　　时代，柴薪为主要能源； →蒸汽机发明后，实现内能向机械能的转化，主要能源从柴薪转向　　； →内燃机出现，世界进入石油时代，　　　　　成为核心； →电能的广泛应用开启新时代，成为现代社会最主要的能源之一。 （2）典型能源介绍： ①化石能源：煤、石油和天然气属于化石能源，由千百万年前埋在地下的动植物，经过漫长地质年代的复杂变化形成，是目前人类大规模使用的核心能源。 ②电能：现代社会最主要、最方便使用的能源之一，具有便于输送和转化的特点，各类用电设备可将电能转化为光、热、机械能等其他形式的能量，满足生产生活多样需求。 3. 能源的分类： 分类依据 类别 含义与实例 产生方式 　　能源 从自然界直接取得。如：煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能、核能。 二次能源 由一次能源加工转换而来。如：电能、汽油、柴油、煤气、焦炭。 再生性 　　　能源 可不断得到补充。如：太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、生物质能。 不可再生能源 短期无法再生。如：煤、石油、天然气。 利用状况 常规能源 被广泛利用。如：煤、石油、天然气、水能。 新能源 正在积极研究推广。如：太阳能、核能、地热能、潮汐能、氢能。 对环境的影响 清洁型能源（绿色能源） 不排放污染物。如：太阳能、水能、风能、核能（可再生能源及核能）。 污染型能源 使用中排放污染物。如：煤、石油。 第4节 核能 一、原子核与核能 1. 原子核的构成 （1）物质的构成层级： 常见物质由分子、原子构成，原子由　　　和　　　　　组成。 （2）原子核的内部结构： 1932 年物理学家发现，原子核由质子和中子组成；质子带正电，电荷量与电子相等，中子不带电。 （3）核子结合力：质子和中子依靠强大的　　紧密结合在一起。 2. 核能 （1）核能定义： 也叫原子能，质量较大的原子核发生分裂，或质量较小的原子核相互结合时，释放出的惊人能量即为　　。 （2）核能的两种产生方式： ①重核裂变：质量较大的原子核分裂成较轻的原子核的过程。 ②轻核聚变：质量较小的原子核结合成较重的原子核的过程。 二、裂变及其利用 1. 裂变与链式反应 （1）裂变：重原子核分裂成较轻的原子核，人类通过中子轰击铀核实现可控裂变，铀核裂变时，释放能量的同时会释放 2～3 个中子。 （2）链式反应：铀核裂变释放的中子再轰击其他铀核，使裂变反应持续进行的过程，类似骨牌的连锁反应 2. 核裂变的应用 （1）不加控制的链式反应： 大量原子核瞬间裂变释放极大能量，原子弹基于此原理制成。 （2）可控制的链式反应： ①核心装置：核反应堆，能够控制链式反应的装置。 ②核电站：利用核反应堆释放的能量使水汽化，推动蒸汽轮机带动发电机发电； 能量转化过程为：核能→内能→机械能→电能。 ③核电站核心结构：包含核燃料（铀）、慢化剂（石墨）、控制棒（镉或硼）、保护层等，分核蒸汽供应系统（一回路）和汽轮机发电系统（二回路）。 3. 核辐射的防护 （1）核反应堆设厚重保护层的原因：核燃料具有强烈放射性，会发出射线引发电离辐射，无防护会严重伤害人体。 （2）核辐射防护措施： ①防止超标的放射性物质扩散，人体避免靠近； ②放射性实验室用铅板、有机玻璃做隔离防护； ③核泄漏、原子弹爆炸等突发事件中，利用地形和建筑物做掩体； ④核废料放入特制容器深埋封存，待后续处理。 相关事实：2023 年 8 月日本单方面强行将核污染水排海，无视国际社会反对。 二、聚变及其利用 1. 聚变 （1）定义：也叫热核反应，轻原子核在特定条件下结合成较重的原子核，同时释放巨大能量的过程；例如氘核与氚核在超高温、高压下结合成氦核，释放核能。 （2）聚变条件：　　　（是实现聚变的核心条件）。 （2）能量特点：聚变释放的核能远大于引发聚变消耗的能量，太阳能就是太阳内部氢核聚变的产物，自46亿年前持续至今。 2. 核聚变的应用 （1）不加控制的聚变：大量氢核聚变瞬间释放惊人能量，氢弹基于此原理制成。 （2）可控核聚变：目前仍处于科学家探索阶段，暂无成熟应用；中国的环流器 EAST 实现了1000s以上长时间运行，“神光 Ⅲ” 为激光约束核聚变研究装置。 3. 可控核聚变的意义 海水中蕴藏着丰富的聚变原料　，可控核聚变的实现，有望彻底解决人类面临的能源问题。 三、核裂变和核聚变的区别 对比维度 裂变 聚变 定义 较大原子核分裂为较小原子核的过程 质量小的原子核结合成较大原子核的过程 条件 中子轰击较大原子核 　　　 释放核能的大小 巨大 更加巨大 是否可控 裂变的链式反应可控制 目前不可控 应用 原子弹、核电站 氢弹、　　内部反应 第5节 能源与可持续发展 一、能源结构的变迁 1. 人类能源发展阶段： →第一代主体能源：柴薪，是人类最早的主要能源形式。 →农耕时代：动力以人力、畜力为主，辅以部分水力，无规模化化石能源利用。 →蒸汽机时代：煤炭成为主要能源，推动第一次工业革命发展。 →内燃机时代：开创以燃油为主体燃料的时代，能源利用形式进一步升级。 →电气化时代：电被广泛应用，开启第二次工业革命，能源利用向电气化、精细化发展。 2.能源发展的现状困境： 　　20世纪以来，人类物质文明快速发展伴随能源大量消耗，能源危机呼声日渐高涨，成为人类共同面临的问题。 二、能源危机的成因与表现 1. 能量转化的固有特性： 涉及热现象的能量转化和转移具有　　　、　　　　　：热量可自发从高温物体转移到低温物体，反向转移则需消耗其他形式的能量，这决定了能源利用无法完全回收，存在天然损耗。 2. 常规能源消耗危机 社会化大生产带来巨量能源需求，煤、石油、天然气等常规化石能源因持续开采储量不断减少，形成全球性 “能源危机”。 三、碳达峰 碳中和 1. 化石能源引发的环境污染 　　化石能源利用中会大量排放硫化物、碳氧化物和粉尘，对环境和生态系统造成严重破坏，主要表现为： （1）酸雨：侵蚀雕像、破坏森林，造成生态系统损伤； （2）温室效应：引发气候变暖、冰面融化，改变全球气候格局； （3）热岛效应：导致局部地区气温高于周边，影响城市生态环境。 2. 碳达峰与碳中和 （1）碳达峰：二氧化碳排放量在某个时间点达到峰值，之后排放量逐步回落。 （2）碳中和：通过降低化石能源消费占比、节能减排，结合植树造林等方式吸收二氧化碳，使二氧化碳排放量与吸收量相互抵消，实现相对 “零排放”。 （3）我国的双碳承诺：2020年9月22日，我国宣布力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，为全球应对气候变化注入动力。 四、能源安全 1. 能源利用中的安全问题　　 　　能源安全指因突发事件导致的能源短缺或能量供应中断，典型案例包括 2019 年美国纽约停电事件、2022 年中国多省限电、2026 年俄罗斯对乌克兰能源设施攻击引发的乌克兰大面积停电。 2．解决能源问题的核心对策 （1）主观层面：树立全民节能意识，通过技术创新提高能源利用效率，减少废气物排放； （2）客观层面：依靠科技研发开发清洁型能源，强化能源利用中的防护措施，提升能源使用的安全性。 五、我国新能源战略与绿色发展 　　碳达峰、碳中和、能源安全已纳入我国经济社会发展全局，我国从多方面推进能源绿色转型，构建新型能源体系： 1. 优化产业与能源结构：推动产业结构、能源结构、交通运输结构的调整优化，2013-2022 年我国一次能源生产结构中，原煤占比逐步下降，天然气、一次电力及其他能源占比稳步提升，能源结构持续升级。 2．建设新型能源体系 　　电力作为重要二次能源，我国发电量长期稳居世界第一，2022 年电力生产量达 88487 亿千瓦时，其中火电 58888 亿千瓦时、水电 13522 亿千瓦时、风电 7627 亿千瓦时、核电 4078 亿千瓦时；我国在核能、太阳能、风力、水力发电领域技术水平居世界前列，同时在地热能、潮汐能、氢能利用上持续尝试与创新。 3．新能源应用成果 2025年3月25日，我国自主研制的首列氢能源市域列车成功达速试跑，最高续航里程超 1000km；地表以下10km内丰富的地热能也已被开发用于发电，新能源应用场景不断拓展。 学科网（北京）股份有限公司 $