能量转化与守恒定律能源开发与利用

能量转化与守恒定律能源开发与利用第六节能量能量转化与守恒定律

我们生活在一个复杂而多变的世界中，物质、能量、信息是构成世界的基本要素。能量无处不在，能量转化无时不有。那么：

⑴常见的能量有那些形式呢？⑵能量的转化是如何实现的？⑶能量转化遵循什么规律呢？⑷能量会被永久地利用吗？第2页,共46页，2024年2月25日，星期天能量形式涵义实例机械能机械能是与物体的运动或位置的高度、形变相关的能量，表现为动能和势能。流动的河水、被拉开的弓、声音等内能内能是组成物体的分子的无规则运动所具有的动能和势能的总和一切由分子构成的物质电能电能是与电有关的能量电器设备所消耗的的能量都是电能电磁能电磁能是以各种各样的电磁波的形式传播的能量可见光、紫外线、微波和红外线等核能核能是一种储存在原子核内部的能量，原子核发生核反应时，会释放出巨大的能量核潜艇、核电站、核武器等化学能化学能是指储存在化合物的化学键里的能量化合物巧克力、燃料等都储存有化学能一.各种各样的能量第3页,共46页，2024年2月25日，星期天1.汽艇在海上行驶——化学能转化为机械能2.用电照明——电能转化为光能（电磁能）3.篝火燃烧——化学能转化为内能和光能4.原子弹爆炸——核能转化为机械能和内能仔细观察下面的图片，说明它们具有那种形式的能？涉及哪些形式能量之间的转化？二.能量之间的转化第4页,共46页，2024年2月25日，星期天不同形式的能量之间的转化二、能量之间的转化第5页,共46页，2024年2月25日，星期天二、能量之间的转化请在下图的箭头旁边填上能量转化的装置或过程电动机发电机生物做功光合作用燃烧物质电灯光电池太阳照射炽热发光电加热地热发电摩擦生热蒸汽机放热反应吸热反应第6页,共46页，2024年2月25日，星期天

我们所消耗的能量，无论是食物还是电，大部分是太阳能辐射到地球后转化而来的。太阳能与其他形式的能量转化关系图二、能量之间的转化第7页,共46页，2024年2月25日，星期天什么是永动机

蒸汽机消耗煤炭，内燃机消耗汽油或柴油，电动机消耗电力，有没有一种机器，它不消耗任何燃料或动力，却可以不停地运转，源源不断的对外做功呢？这种机器被称为永动机。

据说很久很久以前，在印度有一个被地主压迫的可怜人，他每天被迫干好多活，终于有一天，这个可怜的年轻人厌倦了这种生活，他就想：有没有一种机器可以代替我干活呢?它只干活不休息，也不需要什么能量，要是有的话就太好了

据说这个就是最早的关于永动机的想法。这个思想的火花在1200年前从印度出发，传到了伊斯兰教世界，并传到了西方。第8页,共46页，2024年2月25日，星期天

大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。他的设计如图所示，A是一个磁石，铁球C受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。永动机的梦想第9页,共46页，2024年2月25日，星期天永动机的梦想

上世纪20年代德国的一张明信片,拿爱因斯坦开玩笑，想想看这个永动机为什么不行？第10页,共46页，2024年2月25日，星期天永动机梦想的破灭

此外，人们还提出过利用轮子的惯性、细管子的毛细作用、电磁力、流水等获得有效动力的种种永动机设计方案，但都无一例外地失败了层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了。1775年，法国科学院宣布“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。第11页,共46页，2024年2月25日，星期天永动机的启示

制造永动机的美好梦想虽然破灭了，但是，反思这一失败的探索过程，它从反面给人类以启迪：永动机不可能制成，是不是说明自然界存在着一条法则，它使我们不可能无中生有地获得能量？也就是说自然界各种能量之间存在着一定的转化关系。第12页,共46页，2024年2月25日，星期天

迈尔在1814年11月25日生于德国。他的父亲是位药剂师。少年时代的迈尔，经常跟着父亲去看制作各种药品的试验。1838年，迈尔在蒂宾根大学获得学位。25岁的迈尔正式在汉堡开业行医。

能量守恒定律的建立过程迈尔1840到1841年初，迈尔在一艘海轮上当了几个月的随船医生。这段旅程成为了他在物理学上作出成就、从医学的途径得出能量守恒的结论的起点。迈尔(1814－1878)第13页,共46页，2024年2月25日，星期天

1840年2月22日，迈尔跟着船队来到印度尼西亚，当时很多船员患了肺炎，在医治中迈尔发现他们的静脉血不像生活在温带国家中的人的静脉血那样颜色暗淡，而是像动脉血那样新鲜。这一现象引起了迈尔的深思。迈尔认为人的血液之所以是红的是因为里面含有氧，而食物中含有化学能，被氧化时像机械能一样可以转化为热，维持人的体温。在热带高温情况下，人要维持体温，机体只需要吸收较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。迈尔认为，热能、化学能、机械能都是等价的，而且是可以相互转化的。1842年迈尔从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的观念出发，表述了物理、化学过程中各种力(能)的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律的人。

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能量守恒定律的建立过程焦耳

英国物理学家。1818年12月24日生于索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主。焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦耳（1818－1889）第15页,共46页，2024年2月25日，星期天

1840年，他发现将通电的金属丝放入水中，水会发热，通过精密的测试，焦耳发现了电热之间的关系－焦耳定律。

焦耳从1840－1878年近40年的时间里，研究了电流的热效应，研究了空气压缩时温度的升高，以及化学，机械作用之间的联系，他做了400多次实验，为能量守恒定律的确立奠定了坚实的实验基础。第16页,共46页，2024年2月25日，星期天

亥姆霍兹（1821—1894），德国物理学家和生理学家。1821年10月31日生于柏林波茨坦的一个中学教师家庭。中学毕业后在军队服役8年，取得公费进入在柏林的皇家医学科学院，并柏林大学旁听。1842年获医学博士学位后，被任命为波茨坦驻军军医。1847年他在新成立的德国物理学会发表了著名的“关于能量的守恒”的讲演，第一次用数学方式系统地阐述了能量守恒原理

。能量守恒定律的建立过程亥姆霍兹第17页,共46页，2024年2月25日，星期天

能量守恒定律的内容

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。某种形式的能减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。

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能量守恒定律的意义

能量守恒定律、生物进化论、细胞学说被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。第19页,共46页，2024年2月25日，星期天练习在夏季的时候，假如打开冰箱门来使房间温度降低，是否可行？为什么？不可行。冰箱工作时要消耗电能，而这些电能最终转化为房间的内能，所以房间的温度不降反升。第20页,共46页，2024年2月25日，星期天四、能量转化和转移的方向性碗中的热水会自动变凉，你见过碗中的冷水会自动变热吗？1.能量的转化和转移是具有方向性的（不可逆性）如果使能量转化沿反方向进行，则必须做功。例：电冰箱将箱内食品的热转移给空气，就必须消耗电能。2.第二类永动机是不可能的有人想设计一台机器，能自动地从低温热源吸收内能，向高温热源释放，高温热源将得到的内能对外做功，这样不需要其他动力机械，不消耗其他任何能源，整个循环可永远进行下去。没违背能量守恒定律，但违背了能量转化和转移的不可逆性。第21页,共46页，2024年2月25日，星期天【例6-1】一质量为2kg的物块从离地80m高处自由落下，测得落地速度为30m/s，求下落过程中产生的内能.(g＝10m/s2)【思路】

下落过程中减少的机械能变成了内能。【答案】E=700J第22页,共46页，2024年2月25日，星期天

【例6-2】热力学第二定律常见的表述有两种:

第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。图（a）是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体。请你根据第二种表述完成示意图（b）。根据你的理解，热力学第二定律的实质是_________。制冷机低温物体高温物体WQ1Q2图（a）热机低温物体高温物体图（b）第23页,共46页，2024年2月25日，星期天

热力学第二定律的实质是：自然界中进行的与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性。

热机低温物体高温物体图（b）WQ1Q2第24页,共46页，2024年2月25日，星期天1.能源——能够提供可利用能量的物质叫能源。能源是人类社会发展进步的物质基础。能源、信息、材料一起构成了现代文明的三大支柱。每一种新能源的开发利用和能源利用方式的变革都极大地促进下生产力的发展，并引发社会变革，使人类文明前进一大步。第八节能源的开发和利用一.能源及其分类第25页,共46页，2024年2月25日，星期天人类对能源的利用经过了三个时期柴薪时期出现年代：五六十万年前火的使用是人类在能源利用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。第26页,共46页，2024年2月25日，星期天煤炭时期出现年代：2000年前蒸汽机的广泛使用，带动了工业革命和资本主义社会的成长。人类对能源的利用经过了三个时期第27页,共46页，2024年2月25日，星期天石油时期出现年代：19世纪80年代内燃机的发展推动了19世纪末，20世纪初开始的机械化和电气化进程。人类对能源的利用经过了三个时期第28页,共46页，2024年2月25日，星期天2.能源的分类能源的分类方法很多。来自自然界、没有经过加工或转换的能源叫做一次能源

；从一次能源直接或间接转化而来的能源叫做二次能源

。一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。另外能源也可分为常规能源和新能源。此外，能源还可分为燃料能源和非燃料能源等。新能源的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染，可以说是远有前景、近有实效的能源。

应优先开发利用的六种新能源：太阳能、风能、地热能、波浪能(潮汐能)、氢能、核能第29页,共46页，2024年2月25日，星期天【例题】把下列14种能源按要求分类。⑴煤⑵石油⑶水力⑷汽油⑸核能⑹太阳能⑺酒精⑻天然气⑼液化气⑽地热⑾煤气⑿潮汐能⒀风力⒁电㈠属于一次能源的是：㈡属于二次能源的是：㈢属于可再生能源的是：㈣属于不可再生能源的是：㈤属于常规能源的是：㈥属于新能源的是：㈦属于燃料能源的是：㈧属于非燃料能源的是：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页,共46页，2024年2月25日，星期天【例8-1】某地强风风速v＝20m/s，设空气密度ρ=1.3kg/m3，如果通过横截面积为S=20m2的风的动能全部转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式应为P=

，大小约为

W(取一位有效数字)。【答案】第31页,共46页，2024年2月25日，星期天二.能源危机与环境污染1.为什么人类社会发展会有能源危机的发生？①常规能源储量有限，开发不合理，浪费严重；②人类社会发展对能源的需求日益增加；③新能源的开发和利用需要解决一系列技术问题。2.能源的大量使用给人类的生存环境带来了哪些问题？①酸雨②温室效应③臭氧层的破坏④土壤酸性化⑤生态平衡的破坏……

能源危机和能源利用对环境所造成的污染与破坏已成为人类共同关注的世界性问题。第32页,共46页，2024年2月25日，星期天环境恶化温室效应使全球气候变暖1999年北极拍摄两极冰山融化第33页,共46页，2024年2月25日，星期天环境恶化汽车的尾气第34页,共46页，2024年2月25日，星期天环境恶化化石燃料(煤和燃油)的燃烧

空中死神――酸雨

第35页,共46页，2024年2月25日，星期天环境恶化大气污染第36页,共46页，2024年2月25日，星期天

新能源是相对于传统的能源来说的，根据联合国1981年内罗毕会议精神，新能源可定义为：以新技术和新材料为基础，系统