高中物理 第三章 热力学基础3.6 研究性学习 能源的开发利用 3

高中物理 第三章 热力学基础3.6 研究性学习 能源的开发利用 3

‎3.6 研究性学习 能源的开发利用 ‎ 自然资源的开发利用与环境保护 一、环境问题及产生的原因 环境问题产生于人类的生产活动和生活活动，并随着其发展而发展。随着社会生产力的发展，人类利用和改造自然的范围和程度逐步扩大，环境问题的内容和表现也在不断变化。解决人类与环境的矛盾，主要靠发展生产力。人类对人地关系的认识是随着生产力的发展而不断深化的。例如：十八世纪以来先后出现的环境决定论，人定胜天论和人地协调论等，就反映了近代人类对人地关系由浅入深，由片面到全面的认识过程。现在，人们逐渐认识到环境问题的产生并不是不可避免的。随着人类的认识和技术水平的提高，通过发展生产力，最终可以实现人类和环境的协调。当人类向环境索取资源的速度超过了资源本身及其替代品的再生速度时，便会出现资源短缺、生态破坏等问题。人类向环境排放废弃物的数量如果超过了环境的自净能力，就会导致环境质量下降，形成环境污染。环境污染的发生与片面追求经济增长的发展模式密切相关。为了追求最大的经济效益，人们以牺牲环境为代价换取经济增长，最终导致了严重的环境污染。环境问题的产生，既有自然原因，也有人为原因。在采猎文明时期，环境问题主要由洪涝、干旱等自然原因引起。而当今世界环境问题主要是由人类不合理的活动造成的。当前人类所面临的主要环境问题是人口问题、资源问题、生态破坏问题和环境污染问题。人口急剧增长是当前首要的环境问题。人口急剧增加，超过了地球环境的合理承载能力，势必造成生态破坏和环境污染，这些现象在地球上某些地区已出现了。资源问题是当今人类发展所面临的另一个主要问题。全球资源匮乏和危机主要表现在：土地资源在不断减少和退休，森林资源面积不断缩小，淡水资源出现了严重不足，生物物种在减少，某些矿产资源濒临枯竭等等。这都是人口急增和对资源过度消费而造成的。全球性生态环境被破坏主要包括：森林减少、土地退化及被占用、水土流失、沙漠化、物种消失速度加快等等。这也是由于人口增长过快而造成的。环境污染作为全球性的重要问题，主要指温室气体过量排放造成气候变化、广泛的大气污染和酸沉降、臭氧层破坏、有毒有害化学物质的污染危害及其越境转移、海洋污染等。‎ 二、清洁能源的开发利用有利于环境保护 自然界中存在并可能被人类用来获取能量的自然资源称为能量资源。能源则是指人类取得能量的，包括已开采出来可供使用的自然资源和经过加工转换的能量。尚未开采出来的能量资源称为资源，不列入能源的范畴。人们从不同的角度对能源进行分类：可分为四类，第一类是来自太阳的能量。除了直接的太阳辐射外，煤、石油、天然气等矿物燃料和生物能、水能、风能、海洋能等都是间接来自太阳能；第二类是以热的形式蕴藏于地球内部的地热能；第三类是地球上的各种核能，即原子核能；第四类是太阳和月球等天体对地球的相互吸引引起的能量，如潮汐能。我国能源结构以煤为主，燃煤和煤炭加工与开采产生大量的污染物，导致大气污染和水体污染。而且煤不可再生，将逐渐耗竭，是不可再生的能源。因此，要开发和推广用对环境无害的清洁能源，如太阳能、水能、风能、生物能，潮汐能、地热能等。太阳能是一种巨大且对环境没有污染的能源。太阳能的转换和利用方式有：光热转换、光电转换和光化学转换。最常见的光热转换是太阳能热水器，光电转换是将太阳能转变为电能后利用，如各种类型的太阳能电池；光化学转换是利用光和物质相互作用引起化学反应而被应用，如气化学电池。水能的利用既古老又很普遍、广泛，如水力发电等。风能是太阳能辐射造成地球各部分受热不均匀，引起空气运动产生的能量。利用风力可以发电、提水、助航、致冷和致热等。通常是通过风力机将风能转化为其它形式的能量，如电能、机械能、热能等而被利用。生物能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物能资源丰富而且可再生，包括农作物秸秆、薪柴和各种有机废物。生物质在微生物的发酵作用下生成沼气，酒精等能源产品而被应用。燃烧后的产物为二氧化碳和水，不污染环境。潮汐能是来自海岸潮汐的振荡流动。一般是利用形式潮差最大的海湾、海峡、河口地区等流水的动力来发电。地热能有干蒸汽、湿蒸汽和热水三种形式。干蒸汽温度超过150˚C以上，可直接用于发电，但其数量最少。湿蒸汽温度在90˚C～150˚C之间，湿蒸汽在使用之前必须预先除去其中的热水，所以在发电应用技术上较困难。热水储存热量最大，温度一般在90˚C 以下，可直接用于取暖或供热，用于发电则较困难。核能是原子核结构发生变化时放出的能量。核裂变能起初用于军事目的，如制造原子弹，现在主要用于发电。核裂变能对环境具有放射性的潜在污染威胁。而核聚变能的利用将是理想的能源利用方式，其中氚——氚聚变发电较为理想，因为核聚变反应所需要的原料从本质讲是不受限制的，引起环境的污染也轻。以上的这些能源开发利用都有利于环境的保护。‎ 三、矿产资源的开发利用与环境保护 矿产资源的开发利用，一方面保证了全球经济的发展，因为经济建设中95%的能源和80%的工业原料依赖矿产资源的供给；另一方面，矿产资源的开发改变了地球上的能源和物质的循环，对生态环境产生了重要影响。开采矿产资源要占用和破坏大量的土地，仅露天采矿全世界就已有300万公顷土地被破坏，我国每年露天采矿破坏的土地约0.67至1万公顷。矿产资源开发中排出的各种废弃物和尾矿也要占用大量土地，在我国，仅煤矿石全国就占地约‎4000公顷。不仅如此，露天采矿还直接导致地面景观的破坏，使大片完整的土层绿地被剥光，成为基岩裸露，废石遍地的不毛之地。同时，由于大量土石倾倒在山坡上，植被被充土完全覆盖，疏松的土石堆在山坡上，极易形成水土流失。矿产采选冶炼加工过程中排放的污水、废气、废渣造成了对大气、水体和土壤的严重污染。适度开发，优化配置，合理利用矿产资源，降低矿产资源在开发利用过程中的环境代价，是矿产资源保护和可持续利用的主要目标内容。为实现这一目标，应采取以下的途径和措施：（1）加强矿产资源管理；（2）理顺价格，改变长期以来资源低使用和无偿占有的意识和现象；（3）明确产权，制定法规，统一规划；（4）加强矿产环境保护管理，制定和实施矿产资源开发生态环境补偿的政策，减少矿产资源开发的环境代价；（5）依靠科技进步，提高资源矿产采掘回收率和利用率。‎ 四、能源的开发利用与环境保护 能源是社会经济发展和人民生活的物质基础。实践证明，能源总消耗量和增长速度与国民经济生产总值及其增长率成正比关系。能源总消耗与人均能源消耗量是衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。同时，能源消耗量与环境污染程度也存在一定的相关关系。能量消耗越多，向环境排污程度也就越多，造成的污染问题也越严重。能源也可分为再生能源和非再生能源两类。再生能源包括太阳能、生物能、水能、风能、波浪能、洋流能、潮汐能、海洋能表层与深层间的热循环、地热能等：非再生能源包括煤炭、石油、天然气、泥炭、铀等。人类历史上已经历了三个能源时期，即以薪柴为主——以煤炭为主——以石油（包括天然气）为主的时期，目前仍处在以石油为主的时期。全球能源开发利用存在两大问题：一是由于煤、石油等化石能源的大量开发，燃烧，给水、土、生物等资源带来巨大的破坏，造成二氧化碳增加，酸雨、温室效应和臭氧层破坏等恶果。二是第三世界约有13亿人口能源供应不足，靠木材、秸秆、树根、草皮、粪便等作燃料，导致全球植被破坏，水土流失、生态环境恶化。我国能源消费结构以煤为主，是世界上少数几个以煤为主的国家之一。年生产、消费10亿吨煤，加之技术落后，能源利用效率低，对水、土、生物资源等造成损失和破坏，对生态环境造成污染。我国农村70%以上居民缺少商品能源，全国农村年耗薪柴2亿吨能上下，大大超过森林生长量，造成森林植被破坏导致水土流失、水旱风沙等自然灾害频发。为了保护全球资源，要运用科学技术来实现对资源合理利用和有效保护的目标：（1）进行“能源革命”，逐步以太阳能、水能、风能等无污染能源代替煤、石油等污染严重的能源；（2）进行“绿色革命”，发展生态农业，减少化肥、农药施用量，保护土地资源和生态环境；（3）加快产业革命进程，使传统原材料工业、制造业达到一个较高水平，推广资源节约，资源保护的各项技术；（4）提高资源利用率和资源经济效益，减少排污量；（5）实行资源再生产与环境保护紧密结合。‎