用心 愛心 專心1 能源與可持續(xù)發(fā)展能源與可持續(xù)發(fā)展 教學(xué)目的教學(xué)目的 1 了解什么是能源 什么是常規(guī)能源 知道常規(guī)能源的儲量和人類需求的矛盾 2 了解常規(guī)能源的使用和環(huán)境污染方面的關(guān)系 3 了解哪些是清潔能源 哪些是可再生能源 教學(xué)重點教學(xué)重點 1 能源 常規(guī)能源 可再生能源的教學(xué) 2 能源和環(huán)境之間的關(guān)系 教學(xué)難點教學(xué)難點 能源和環(huán)境之間的關(guān)系 教具準備教具準備 投影儀 教學(xué)過程教學(xué)過程 引入引入 熱力學(xué)第二定律告訴我們 很多與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程都是不可逆的 涉及內(nèi)能的 能量轉(zhuǎn)化過程具有方向性 這在上一節(jié)已經(jīng)提到過了 在本節(jié) 我們討論這種方向性的現(xiàn) 實意義 一 能源一 能源 一段木料燃燒后化為灰燼 能夠釋放給我們所需要的能量 然而 灰燼卻不能立即被 合成而成為一段木料 但是 我們至少可以將灰燼作為肥料施在一顆小樹苗上 促成它長 成一段未來的木料 以供人類 可能是種樹 施肥者的子孫 也可能是別人的子孫 再次 燃燒 在這一人與資源的交互行為中 我們會發(fā)現(xiàn) 首先 能量轉(zhuǎn)化的方向性并沒有被破壞 也就是說 熱力學(xué)第二定律仍被得到尊重 其次 這將形成了一個循環(huán) 因為只要時間足 夠 讓樹苗成長成為木料的數(shù)目大于我們?nèi)紵玖系臄?shù)目 它就不會破壞需求與資源的動 態(tài)平衡關(guān)系 其三 在這個循環(huán)中 必須要有第三者參與 如果沒有太陽的光合作用 循環(huán)就終止了 所以人與資源 樹木 之間并不是 今天你給我 明天我還給你 的關(guān) 系 我們與其說在燃燒樹木 還不如說是在利用儲存的太陽能 其四 這種循環(huán)還有一種 隱憂 那就是 灰燼 成為 樹木的速度要遠遠小于樹木變成灰燼的速度 表面的平衡是 以內(nèi)部數(shù)量上的不平衡為代價的 以上的四點中 第三點事實上已經(jīng)決定了循環(huán) 返回 過程的速度 不能由人類操控 第二點和第四點則意味著人類的行為 世界觀對 平衡 能否被破壞有著直接的關(guān)系 在工業(yè)化時代到來之前 人們過著田園牧歌式的生活 沒有電器 沒有汽車 沒有空 調(diào) 人類使用大自然的資源只是為了滿足最基本的生活需求 因此 這種 平衡 沒有被 破壞 隨著工業(yè)化時代的到來 這種狀況立即顯現(xiàn)出危機 循環(huán)就要被終止了 于是 人們 想到了地底下的資源 煤和石油 他們提供的能量很有用 燃燒的速度和效能和木材相差 無幾 但是 形成煤和石油的速度比長成樹木的速度 就不能同日而語了 可以這樣說 人們自從使用煤的第一天起 就沒有想到一個可能形成循環(huán)的問題 更不用說什么平衡了 所以 煤和石油事實上是一種坐吃山空的資源 我們今天用得越多 我們的子孫將來可以 使用的就越少 在不久的將來 人們用完了所有的煤和石油 會怎么辦 這是一個令社會學(xué)家睡不安 枕的問題 用心 愛心 專心2 然而 經(jīng)濟學(xué)家們卻不這樣看 經(jīng)濟學(xué)教授給學(xué)生們講課 出了這樣一個題目 地底 下現(xiàn)有石油儲量 X 噸 近五年的開采量是 Y 噸 年 請預(yù)測石油將在多少年后被開采完 有的學(xué)生開始用計算器摁鍵 X Y 這樣的學(xué)生被認為是經(jīng)濟學(xué)的盲者 教授的觀點 是 永遠也開采不完 因為 隨著石油儲量的減少 開采的成本會加大 成本大于銷售價 格時 市場規(guī)律決定了人們在也不會去開采 石油了 此時石油存在事實已經(jīng)失去了利用價 值 任它在地底下沉睡多少年也和我們沒有關(guān)系了 那么人們會使用什么能源呢 巨大的市場潛力和利潤空間將驅(qū)使人們?nèi)パ芯恳环N石油 的替代品 因此 能源的危機也就解決了 是社會學(xué)家們悲天憫人 還是經(jīng)濟學(xué)家們盲目樂觀 這需要我們冷靜地去判斷 至少 以下的一些事實可以顯示 這兩派觀點都有一定的道理 世界上石油儲量最大的中東地區(qū)一直是發(fā)達國家關(guān)注的焦點 外交 軍事莫不圍繞著 這片從地表上看毫無魅力的 區(qū)域打轉(zhuǎn) 世界警察 美國 和他的隨從們最愿意去管中東的 事情 兩次海灣戰(zhàn)爭 伊拉克戰(zhàn)爭等等 說明能量消耗巨大的富國們對石油的心痛程度 令以一方面 替代品 新能源的研發(fā) 形式層出不窮 1 1 水能 水能 水作為能量的載體 被太陽能驅(qū)動地球上三棲 水 陸 空 循環(huán) 地表水 的流動時 在落差大 流量大的地區(qū) 形成可利用的水能資源 目前世界上水力發(fā)電還處 于起步階段 2 2 海洋能 海洋能 由于地球受月球和太陽引力的周期性不均衡 海水發(fā)生非氣候性的漲潮和 落潮現(xiàn)象 形成潮汐 潮汐蘊含著巨大能量 既可以用來推動機械裝置 又可以用來發(fā)電 此外 由于海水表層和深層間的存在很大的溫差 利用這種溫差也可以發(fā)電 因為水 的沸點與氣壓有關(guān) 如果建造一個裝置 用抽真空的方法使表層的海水在 20 攝氏度時汽化 并推動汽輪機 再將深層的冷水提上來使蒸汽冷卻 如此周而復(fù)始 就可以發(fā)電了 除這 種方法外 還可以用低沸點的流體如丙烷和氨來作為熱機的工作介質(zhì) 法國已經(jīng)建成了世 界上第一座溫差發(fā)電站 發(fā)電容量為 14 000kW 3 3 風(fēng)能 風(fēng)能 利用風(fēng)的機械能發(fā)電 風(fēng)能是一種重要的自然能源 據(jù)有關(guān)專家估算 在全 球邊界層內(nèi)的總能量為 1 3 1015瓦 一年中約為 1 4 1016千瓦時電力的能量 相當于目 前全世界 每年所燃燒能量的 3000 倍 其中 1 10 為可取用的極限量 風(fēng)能的優(yōu)點是 總能量巨大 利用簡單 無污染 可再生 缺點是 能量密度低 當 流速同為 3 米 秒時 風(fēng)力的能量密度僅為水力的 1 1000 不穩(wěn)定性大 連續(xù)性 可靠性 差 時空分布不均勻 4 4 生物質(zhì)能 生物質(zhì)能 利用厭氧微生物在密閉條件下分解 廢棄 有機物 產(chǎn)生沼氣 沼氣具 有很高的熱值 燃燒后生成二氧化碳和水 不污染空氣 不危害農(nóng)作物和人畜健康 生成 沼氣的原料本身就是各種廢棄物 生產(chǎn)過程可以減少 有機物 垃圾的數(shù)量 在農(nóng)村到處可以看到許多生物質(zhì)的廢棄物 如人畜糞便 秸稈 雜草和不能食用的果 蔬 等等 將這些廢棄物收集起來 經(jīng)過細菌發(fā)酵可以產(chǎn)生沼氣 用沼氣做燃料和照明 也可以發(fā)電 5 5 太陽能 太陽能 太陽能是一種可廣泛利用的清潔能源 我們目前的利用方式主要是兩種 一是將陽光聚焦 將光能轉(zhuǎn)化為熱能 傳說阿基米德就曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽光 燒 毀了來犯的敵艦 在日照充分的地方 人們在生產(chǎn)和生活中已大量使用太陽灶 干燥器和 太陽能熱水器 太陽能熱水器的構(gòu)造要簡單的多 因為不需要它產(chǎn)生太高的溫度 在大多 數(shù)情況下 可以將太陽能熱水器的集熱器制成箱式 蛇型管式 直管式 平板式或枕式 通過管道與水源和儲水箱相連 太陽能熱水器在我國北方比較常見 用心 愛心 專心3 二是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 再用化學(xué)能發(fā)電 比較常見的光電池是硅電池 它能將 13 20 的日光能轉(zhuǎn)化為電能 許多電子計算器和其他小型電子儀器現(xiàn)在已經(jīng)采用太陽能 電池供電 人造衛(wèi)星和宇宙飛船更是主要依靠太陽能電池來提供電力 但是陽光在達到地面以前要經(jīng)過大氣的反射 散射和吸收 能量損失較大 加上陰天 晝夜變化和雨雪等降水過程的影響 目前地面上利用日光發(fā)電受到一定限制 無論是生物質(zhì)能 風(fēng)能 還是水力 溫差和潮汐能 歸根結(jié)底都是太陽能的轉(zhuǎn)化形式 即使礦物燃料 也是通過生物的化石形式保存下來的億萬年以前的太陽能 6 6 地熱能 地熱能 用地熱采暖 將地熱用于農(nóng)業(yè) 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè) 工業(yè)生產(chǎn)等 在全世界范 圍內(nèi)受到關(guān)注 從直接利用地熱的規(guī)模來說 最常用的是地熱水淋浴 占總利用量的 1 3 以上 其次是地熱水養(yǎng)殖和種植約占 20 地熱采暖約占 13 地熱能工業(yè)利用約占 2 利用地熱能 占地很少 無廢渣 粉塵污染 用后的棄 尾 水既可綜合利用 又可 回注到地下儲層 達到增加壓力 保護儲層 保護地熱資源的雙重目的 據(jù)美國地熱資 源委員會 GRC 1990 年的調(diào)查 世界上 18 個國家有地熱發(fā)電 總裝機容量 5827 55 兆 瓦 裝機容量在 100 兆瓦以上的國家有美國 菲律賓 墨西哥 意大利 新西蘭 日本和 印尼 我國的地熱資 源也很豐富 但開發(fā)利用程度很低 主要分布在云南 西藏 河北 等省區(qū) 除以上利用外 從熱水中還可提取鹽類 有益化學(xué)組分和硫磺等 7 7 核能 核能 鈾在自然界中有三種放射性同位素 U235 U238 U234 在衰變過程中放出熱 量 在軍事上鈾主要用來制造核武器和核動力燃料 鈾的和平用途十分廣泛 其中最主要 的是用作核電反應(yīng)堆的燃料 由于核電具有發(fā)電成本低 對環(huán)境污染小和安全等優(yōu)點 世界各國 尤其是工業(yè)發(fā)達 的國家和地區(qū)都大力發(fā)展核電 估計到 2000 年核電將達到世界總發(fā)電量的 25 左右 我國 已建成秦山 大亞灣核電站 目前還有多處正在籌建 鈾裂變時產(chǎn)生的同位素及其射線 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的用途 例 如 在工業(yè)上利用射線實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制 無損傷檢查等 在農(nóng)業(yè)上利用射線培育良種 防止病蟲害等 在醫(yī)學(xué)上用于滅菌消毒 臨床診斷及治療 在地質(zhì)勘探工作中用來找礦等 等 從種種跡象看來 能源危機的解決也許并不是難事 但這是不是就意味著人類可以高 枕無憂呢 答案是否定的 二 環(huán)境二 環(huán)境 可以說 自打人類尋找到木材的替代品 煤和石油開始 就已經(jīng)意識到了 替代 絕不就是 等同 我們前面說過 木料的灰燼能夠作為肥料施在小樹下 這樣就促進了循 環(huán)的完整與良性發(fā)展 而煤渣并不能做到這一點 也許學(xué)過化學(xué)的我們會說 煤和石油的 衍生物也可以制成肥料 但是 請大家不要忘了 木料的灰燼可以被大自然 照單全收 地降解 燃燒的二氧化碳也是植物 新樹苗 呼吸作用的必須 可煤燃燒的廢渣 石油的 衍生物 塑料等 卻不能或很難被降解 他們?nèi)紵膹U氣 二氧化硫等 是天怨人怒的有 害物質(zhì) 石油燃燒的廢氣還是城市人們致癌的罪魁禍首 所以說 垃圾問題 大氣問題 共同構(gòu)成了 環(huán)境問題 在新的能源中 環(huán)境問題是不是徹底解決了呢 從前面介紹的 1 6 種能源中 人們確 實充分考慮了這個問題 理論上是不會有環(huán)境問題的 但是 不知大家注意到了沒有 它 們都會受自然條件和資源條件的制約 沒有風(fēng) 風(fēng)車能轉(zhuǎn)嗎 太陽能需要面積 你能把熱 效應(yīng)管架在別人的房子上去嗎 潮汐能需要海岸線的長度 你去侵略別人的海域嗎 隨 著人們需求的增長 可以說 這前 6 能源的供應(yīng)量必然不能滿足要求 所以第 7 種能源成 為人們關(guān)注的焦點 核能 因為它有一個突出的優(yōu)點 那就是能量巨大 在發(fā)達國家 核能的使用量日益增多 但是 核能的直接或潛藏的環(huán)境問題比煤合石油的要嚴重得多 用心 愛心 專心4 人類要在以上問題中尋求一種協(xié)調(diào)與和諧 在調(diào)整需求意識 珍惜資源 科研開發(fā)等 多個方面都有工作要做 無論今后大家會致力于哪一方面的工作 今天的意識形成都會大 有必要 三 小結(jié) 本節(jié)我們介紹了能源于環(huán)境的問題 通過介紹 希望大家能夠了解 1 能量和能源是 兩回事 2 非再生能源和可再生能源是兩回事 3 人類不能打破與環(huán)境的