能量

中学综合学科资源库——能量 华东师范大学 化学系 胡波 华东师范大学 生物系 张映辉 自然界的能量 自然界的能量与人类的生存和活动有着密切的关系。太阳能是一个巨大的能源，根据实验测量，地球的全部表面平均每平方立求每分钟接受2.1J的太阳能。据估计，人类每一年间消费的能量仅相当于太阳在20min内投射到地球上的能量，倾注到地球上的太阳能，跟地球其他能量相比，是特别巨大的能量。 在与地球有关的能量中，仅次于太阳能的巨大能量，是地球内部流向表面的热流，由于热传导，由地球内部流向表面的热能，每年大约1.0×1021J。由于对流，也有几乎与此同等程度的能量从地球内部流出。但是，这些能量同太阳投射到地球上的能量相比，不过是它的五千五百分之一。 根据最近的研究，地球表面上的大陆，在缓慢移动着，大体上，这已是确定不移的事实了。移动这样巨大的大陆，可以想象需要极大的能量。造山运动的能量也是极其巨大的。但是同上述的热的传导与对流的能量比起来，大陆漂移和造山运动所需要的能量，还不到它们的十分之一。 从地球内部溢出的火山熔岩的体积，每年大约1km3，计算一下由这些熔岩从地球内部带出的热量，每年约4.2×1018J。这个能量是通过传导和对流从地球内部传出能量的二百五十分之一左右。 从世界上的温泉每年传出的能量，估计不少于8.4×1017J。因此，从能量来看，温泉是不次于火山的巨大能量来源。 地震的能量，同火山和温泉比较起来，多少有些相形见绌。从整个地球来看，每年地震释放的能量约为2.1×1017J。一次最大地震释放的能量也有这样大。 一次台风的平均能量大约是1.1×1018J，因此，平均一次台风的能量可以跟五次最大地震的能量相匹敌。这样，从能量来看，台风比地震还大，这是很有趣的。 台风登陆以后，由于和地面的摩擦，引起了能量的消耗，这个能量的消耗大约为每秒1.1×1013J左右。因此，如果不从外界补充能量，台风应该在 ，也就是大约一日就消失了。但是，还没有听说过台风在一日内就消失了的事情。这说明台风从什么地方得到了能够补充它消耗的巨大能量。 实际上，这个能量的来源是伴随着台风的暴雨。雨是凝结了的水蒸汽。因为在水蒸汽凝结的时候，每1g大约放出2268J的热量，这个热量补充了台风能量的消耗。 这里再重新考虑一下，作为这个热的来源的水蒸气又是怎样产生的呢？它是由太阳能在赤道地区的海上产生的。这样，就在不太明显的地方，太阳能也起着巨大的作用。 现在世界能源的消费量，如果换算成石油，一年间约为5×109t。其中石油和天然气约占3/4，余下的1/4主要靠煤、水力和原子能来供给。在地球上，常规能源的供应是有限的，能源的大量消耗对生态环境已引起了严重的污染。因此，如何制止能源的消耗对环境的污染及有效地寻找新能源已成为急待需要解决的问题。 【基本训练】 1．试估算整个地球每分钟所接受到的太阳能为多少？已知燃烧1g石油得到的热量大约是 4.2×104J，计算人类每年消耗的能量为多少？人类每年消耗的能量相当于太阳在多长时间内投到地球的能量？计算出的数据与资料结出的数据是否吻合？ 2．地球所接受到的太阳能仅为太阳所释放出能量的极小的一部分，如此大的太阳能是从什么能转化来的？ 3．一次台风的平均能量为 1.l×1018J左右。台风登陆以后，由于和地表面的摩擦；引起了能量的消耗。这个能量的消耗是每秒1.1×1013J左右。因此，如果不从外界补充能量，台风应该在 ，也就是大约一日就消失了。但是，还没有听说过台风在一日内就消失了的事情。这说明台风从什么地方得到了能够补充它消耗的巨大能量。请你说明补充的能量从什么能量转化来的。 4．一个人维持生存所必需的食品的热量是每天1.26×107J（3000千卡）左右，若世界总人口为60亿，试估算人类活动所需要的能量是人类生存所必需能量的多少倍？ 【参考答案】 1．整个地球每分钟所接受到的太阳能为1.1×1019J。 人类每年消耗的能量换算成石油，约为50亿吨，石油燃烧所释放的能量，其值为2.1×1020J。 这么多的能量相当于太阳在19min内投射到地球上的能量，与资料结出的20min基本吻合。 2．在太阳内部、温度高达100万度以上，在那里热核反应激烈地进行着。太阳每秒钟辐射出来的能量约为3.8×1026J，就是从热核反应中产生的。根据第一题解答结果，可以估算出地球只接受到太阳所辐射出能量的二十亿分之一。 3．补充台风的能量来源是伴随着台风的暴雨。雨是凝结了的水蒸气。因为在水蒸气凝结的时候，每1g大约放出2MJ的热量，这个热补充了台风能量的消耗。从能量转化的角度来看，是水蒸气所具有的内能转化为台风整体的机械能。 这里再重新考虑一下，作为这个热的来源的水蒸气又是怎洋产生的呢？是由太阳能在赤道地区的海上产生的。就是在不明显的地方，太阳能也起着巨大作用 4．第1题计算出人类每年活动所消耗的总能量，从而可估算出每人每天活动所需要的能量为9.6×107J。 因而，人类活动所需要的能量大约是人类生存所必需能量的7.6倍。 【综合练习】 一．1．被恩格斯称为19世纪三大发现的是：生物学家微尔和发现 ，生物学家 创立了进化论，焦耳、迈尔和亥姆霍兹等科学家建立了 2．迈尔是建立能量守恒定律的科学家之一，他是一个医生，他对于能量守恒定律的探索与思考，下列说法正确的是 A 人的静脉血在热带较红，即静脉血中留下较多的氧，因为人在热带消耗能量较少，肌体中食物的氧化过程较弱 B 海水在暴风雨中，由于受到雨滴的冲击，海水的温度升高 C 太阳是取之不竭的能源，植物吸收了太阳能把它转化为化学能 D 生物区别于其他物质的显著的特点是生物有生命力 【参考答案】 1．细胞 达尔文 能的转化和守恒定律 本题的填空内容是生物和物理的，它们的结合点在于这3项科学规律发现的时间有共同点，它们都是在19世纪发现的，并且是马克思主义的辩证唯物主义诞生的科学基础。 2．A、B、C 能量守恒定律是贯穿自然科学各个领域的最根本的规律，它是由许多不同科学领域的科学家共同建立的，德国医生迈尔在对能量守恒定律的探索和思考的过程中涉及了多方面的综合的知识。 A选项是迈尔思考的化学能和热能的等效，选项B是热与机械运动的等效，C选项是迈尔对生物体中能量转化的分析，他认为生物除了吸收物质与能量之外，不需要什么“生命力”。 二．瞪羚、猎豹等动物具有很强的奔跑能力。 1．瞪羚、猎豹等善于奔跑的动物一般生活在哪种类型的生态系统 A 草原生态系统 B 森林生态系统 C 农田生态系统 D 池塘生态系统 2．若瞪羚体重100kg，它的最大速度可达72km/h，则它的最大动能为 3．猎豹的心脏每跳一次输送2×10－4m3的血液，其血压平均值为3×104Pa，心跳每分钟60次，据此计算其心脏工作的平均功率为 W。 4．若猎豹一天16h在跑跑停停之中，平均速度为20m/s，其奔跑克服的阻力平均为100N，剩余的8h为休息状态，消耗体能的功率为心脏输出功率的10倍。 设植物从阳光中吸收的用于光合作用的能量只占阳光辐射的20％，经植物链后，其中20％存于猪豹体内。 请一个测量，测量某地区为保持一只猪豹的生存需的绿色植物的最小面积。明确指出所要测的量，给出测量方法，并给出所需植物面积S的表达式。 【参考答案】 1．A 2．2×104J 3．6 4．①需测出当地单位面积单位时间内接收的阳光辐射能量P，查出当地一年内，日均光照时间t日； ②测量方法，放一盆横截面为S，质量为m的水，测出时间t内其温度变化Δt，则单位时间单位面积的阳光辐射P＝cmΔt/t ③猎豹一天耗能E＝f·v×16×3600＋60×8×3600 需本地面积S＝E/P·t日×20％×20％。 三．在无明显出汗的情况下，人体皮肤和肺脏有一种感觉不出的蒸发作用，每天蒸发水达600g，每蒸发1g水带走的能量是241J，试问这种感觉不出的蒸发作用所引起的散热速率是多少？ 【参考答案】 蒸发是热传递的一种方式，也是人体调节自身体温达到热平衡的一种途径。将物理过程与人体生理过程相结合，使学生认识到热传递是一种能量的转换，并对散热速率进行定量的计算。 为使人体的体温保持在37℃，人体利用各种机制来使散热率和代谢率相配合，人体的这一蒸发作用带走了一部分能量，引起热损失。 蒸发600g水所引起的热交换是：Q＝1.45×105J 热损失速率是1.7J/s。 四．跳蚤的能量和蛋白质问题： 1．动物细胞内的 、 和 等有机物中，都含有大量的 能。当它们在细胞内被 生成 和 等代谢终产物时，它们所含的能量就释放出来，供生命活动使用。 2．跳蚤质量M＝0.5mg，测得其跳起的速度v＝1m/s。 ①它跳离地面时的动能多大？ ②设跳蚤腿长L约0.4mm（即起跳距离），那么它的起跳时间约多大？输出功率多大？ ③使跳蚤弹射的物质是弹性蛋白（其横截面积约0.004mm2）能承受的压强约为2×106N/m2，拉伸强度可达3×106N/m2。请用题给数据通过计算，判断跳蚤的普通弹跳对于其弹性蛋白质是否可以承受？ 【参考答案】 1．糖类 脂类 蛋白质 化学 氧化分解 CO2 H2O 2．①跳蚤离开地面时的动能E＝2.510－7J ②t＝8×10－4s P＝3×10－4W ③p＝1.56×105N/m2 可见，普通的弹跳对其弹性蛋白是完全可以承受的，跳蚤肌肉所产生的能量远远大于3×10－4W。 本题以动物行为作为背景，综合物理、生物两门学科的知识内容，涉及思维的发散和迁移，以及理解、推理、分析综合解决实际问题等多方面能力的综合应用。 通过本题的估算结果，可认识到弹性蛋白质是一种比任何种类的橡胶都好的弹性物质，现代科学上称这种蛋白质为“莱西林”。它充分体现了生物进化的结果，由于跳蚤长期寄生于其他动物，因而导致其“翅”逐渐发展成一种弹性极好的蛋白质，跳蚤大腿的肌肉主要用于绷紧“莱西林”，当其收缩时产生强大的爆发力，使跳蚤垂直起跳的力可达其体重的140倍，所跳高度为其身高的100多倍。这在仿生学中为垂直起降的飞行器的设计和制造提供了生物原型。 五．奔跑中生物体拮抗肌所做的功是随着每迈一步对腿的加速和减速完成的，腿离开地面时，腿从静止直到接近等于身体的速度。同样，在腿又回到静止的过程中，拮抗肌又做了相当的功。现有一个以3m/s的速度奔跑的质量为70kg的人，他每条腿的质量约为10kg，其步子的长度（同一只脚的两个相邻足迹之间的距离）为2m，此人每秒内每条腿迈出1.5步，求此人奔跑过程中的能量消耗率（肌肉的效率η约为0.25）。 【参考答案】 1080W 本题通过对人体特定活动的研究，体现能量守恒转化的基本观点。奔跑过程中人体消耗的能量一部分转化为机械能（动能），这一过程由拮抗肌做功实现，再根据代谢效率（肌肉的效率），求出奔跑过程中总能量的消耗率。编排本题在于利用能量守恒及转化的关系，使学生对生物体活动过程进行定量计算。 六．近来，教学家J·B·keller提出一种模型。他设定奔跑者使出一个随时间变化的总力F。而这个不力会超过某个最大值Fmax，奔跑者耗费的功率等于力乘速度，即Fv。并假定与运动方向相同的耗散力和速度成正比，所以D＝cv。运动员能够用的贮存能量为E。但是，一旦它被耗尽，速度就受到新陈代谢过程提供附加能量的转化效率σ（假定是常数）的限制。 下面给出了一个80kg运动员的keller奔跑模型的生理参数： 最大作用力Fmax＝976N； 耗散力系数C＝89.7Ns/m 贮存的代谢能E0＝19300J； 代谢能的转化速率σ＝3330W 5000m赛跑的世界纪录是796.6s，相应于6.28m/s的平均速度，试求出质量为80kg的运动员以这个速率奔跑时耗做的功率，并将它与代谢过程中提供附加量的转化效率相比较，这说明了什么？ 【参考答案】 耗散的功率为3538W 能量的转化效率3330W，所以，运动员正在消耗所贮存的能量，耗散功率与提供的功率之差是208W，在797s中，这相当于消耗了能量E＝16600J。这很接近于总的贮存能量E0＝19300J，因而表明运动员已使用了他几乎所有的能量。 七．有一定质量的C，将其完全燃烧用来加热200g温度为8℃的水，已知燃烧放出的热有40％都被水吸收，加热后在不损失热量的情况下，立即将加热后的水与300g0℃的冰投入量热器做测冰的熔解热的实验，最终的混合温度为18℃，已知水的比热为.4.2×103J/（kg·K），冰的熔解热为3.4×105J／kg， C燃烧的热化学方程式为：C＋O2==CO2＋399240（J）；问：完全燃烧的C为多少克？ 【参考答案】 本题要求考生理解并会运用“测定冰的溶解热”实验的基础理论和能够根据热化学方程式计算参与反应的物质的量。 碳完全燃烧后的热量按40％被水吸收，水的温度升为t’，易知t’＞18℃，最后t’℃的水做为热水进行冰的熔解热的实验，实验的混合温度为18℃。这里因为两次热量交换都未损失的原因，我们可以略去中间求t’的过程，直接看做碳燃烧加热了冰和凉水，根据守恒关系算出C完全燃烧放出的热，从而计算出碳的质量。 我们先把整个过程分为两步，即碳加热凉水使其升温至t’及“冰水混合”。 所以最初的碳为10g。 八．如右图所示，有一提升重物用的直流电动机内阻为0.6Ω，R＝10Ω，U＝160V，伏特表读数为110 V。设电动机工作6小时产生的热量为Q1，又已知常温下燃烧0.1g乙醇生成CO2气体和液态水，放出热量能使100 g水的温度升高7.1K，设1mol乙醇燃烧的热化学方程式中放出的热量为Q2，那么Q1与Q2的关系是 A Q1＞Q2 B Q1＝Q2 C Q1＜Q2 D 无法确定 【参考答案】 C 电动机的电流为：I＝5A，Q1＝3.24×105J 0.1g乙醇燃烧产生的热量Q＝2.97×103 乙醇燃烧的热化学方程式中放出的热量Q2＝1.366×106J 九．如右图，在状况下，光滑水平面上卧放一质量为M＝19kg的导热圆筒形气缸，半径为10cm，在气缸内放一团混有酵母菌的湿面团，质量为m＝1kg的活塞可以在气缸内无摩擦滑动，且不漏气，封闭的气体中无氧气存在。开始时活塞与缸底的距离为10cm，经较长时间后，发现活塞与缸底的距离变为20cm（湿面团体积变化忽略不计）求： 1．写出化学方程式，并简要说明理由； 2．产生了多少gCO2？湿面团的质量减少了多少克？ 3．产生的CO2气体对外做了多少功？ 4．在活塞向右移动过程中缸向左移动了多少距离？ 5．若用一水平向右的外力F拉活塞，使活塞与缸底的距离变为22cm，则水平拉力F为多大？ 【参考答案】 1．湿面团的主要成分是淀粉和水，淀粉和水在酵母菌的催化下生成葡萄糖，而葡萄糖在酶的作用下做无氧呼吸，可生成酒精和二氧化碳。反应方程式略。 “导热容器”、“经过较长时间”，可以认为封闭气体始终处于标准状况下，活塞向外移动可以认为匀速，而增大的体积即为产生的CO2气体的体积。 2．产生的CO2使容器内的气体体积增大，增大的体积即为CO2的体积：ΔV＝3.14L；在标准状况下CO2的质量为m＝6.16g；湿面团减少的质量就是放出CO2的质量，故也是6.16g。 “容器内无氧气存在”，即湿面团进行无氧呼吸（不同于有氧呼吸）。 3．活塞缓慢向外推动空气，受到恒定的空气压力F＝p0S，故对外做功：W＝314J。 4．活塞向右移动的同时，气缸向左移动，水平方向动量守恒，得l＝0.5cm。 由于水平面光滑，活塞与气缸组成的系统水平方向动量守恒。而活塞缓慢运动，可认为气缸、活塞都做匀速直线运动。 5．对整体F＝300N 当作用一向右水平力时，整体向右做匀加速直线运动，活塞与缸底的距离增大，缸内气体压强减小，而气缸导热，可以认为是等温变化；应用动量守恒定律、牛顿第二运动定律及波意耳定律是中学物理的难点和重点，具有一定的深度。 十．1984年，在Eafon研究小组的博士后熊余生合成了立方烷的四硝基衍生物A（立方烷的化学式为C8H8），A是一种烈性炸药。 1．14.2g A发生爆炸时生成了0.1mol N2、0.1mol C、0.1mol H 2O和某种氧化物，试写出该反应物爆炸反应的化学方程式。 2．半径为R=1.0rn的光滑细圆管放在水平面上，并通过十字支架固定于圆心O处，见右图，可视为质点而质量分别为m=3kg和M= 4kg的小球放在管中，它们之间有少量炸药A，点燃炸药后，它们各自做匀速圆周运动。 ① 它们第一次相遇时M转过的角度是多少弧度？ ② 若炸药中有E=42 J的化学能转化为 m、M的动能，那么从爆炸分离到它们第一次相遇经过多少时间？ ③ 在上述条件下从爆炸分离经过多长时间，圆管水分方向上受到两小球作用力的合力为60 N？ 【参考答案】 1．C8H4(NO2)4→2N2↑＋2C＋2H2O↑＋6CO↑ 2．①6π/7 ②2π/7 ③π/14，3π/14 十一．读下面： 河流名称 长度（km） 流域面积（km2） 流量（km3/s） 雅砻江 1500 129930 1800 湘江 817 95738 2288 二滩水电站于1991年9月动工，1997年11月10日下闸蓄水，1998年开始向西南电网送电。设计装机容量为330万千瓦。2000年竣工后，年发电量将达到170亿度。大坝为混凝土双曲拱坝，坝高240米，是20世纪亚洲装机容量、库容最大的水利枢纽工程。 回答下列问题： 1．根据以上材料和已有知识回答：二滩水电站建在上表中的 江上。两江相比，该江水能较丰富的原因是 。电站与用电市场之间关系方面的不利条件是 。 2．设想将二滩的电能输送到成都地区，如果使用相同的输电线，从减少输电线上电能损失来看，在50万伏超高压和11万伏高压输电方案中应选用 输电方案。因为该方案的输电损失为另一方案的 ％。 【参考答案】 1．雅砻 落差大 距离较远 2．50万伏超高压 4.84% 十二．如果将10g金属锂置于100g 0℃的冰块上，试确定在100℃时，由溶液中沉淀出（以—水合物的形式的氢氧化锂的质量。反应按下列热化学方程式进行：2Li（s）＋2H2O（l）==2LiOH（s）＋H2（g）＋398.2kJ 由于跟周围介质的热交换，氢氧化锂溶解时的热效应等于零。冰的熔化热330kJ/kg，水的比热4200J/kg·℃，水的汽化热2300kJ/kg，氢氧化锂的比热是49.58J/mol·K，100℃时一水合氢氧化锂的溶解度是19.1g。 【参考答案】 假定锂全部反应完了，10g锂与水作用时放出的热：Q＝284.42kJ 与水反应中消耗的水量为25.71g 形成氢氧化锂为1.43mol 因反应而放出的热将消耗于： ①融化100g0℃的冰：Q1＝33kJ ②将未与锂反应的水从0℃加热到100℃：Q2＝31.2kJ ③将生成的氢氧化锂从0℃加热到100℃：Q3＝7.09kJ ④使水蒸发：Q4＝Q－Q1－Q2－Q3＝213.13kJ 由Q4可蒸发100℃的水量92.7g 而剩余的水量只有74.39g 反应产物的加热和水的蒸发所需的热之和比反应放出的热少。因此，实际上当部分锂发生反应时，反应体系中已没有水了，将形成氢素化锂和未反应的锂的混合物，而没有氢氧化锂的水合物生成。 ①仔细、全面地分析题给信息，进行粗加工。本题涉及以下几个问题：锂和冰的反应放出热量，使冰熔化，熔化的水受热温度升高（当然生成的氢氧化锂本身温度也会升高），水又汽化。溶剂量减少，氢氧化锂就可以从水中结晶析出。 ②抓住关键，进一步理清思路。本题可以分另两个过程：①放热过程（化学变化过程），冰和金属锂反应放出热量；②吸热过程（物理变化过程）未与锂反应的冰从0℃冰→0℃水→100℃水→100℃汽。生成的氢氧化锂从0℃到100℃。 ③调用所学知识，确定解题最佳途径。要解答此题，必须熟悉热化学反应式有关概念、反应热的有关计算及热量变化引起物质状态变化、溶解和结晶等知识。由此可见，本题的关键是利用放热等于吸热这原理，求出反应、蒸发后剩余水的量，从面确定100℃时由溶液中沉淀出（以一水合物的形式）的氢氧化锂的质量。 由上面分析可知，本题采用了物，化的交叉进行命题，以锂和冰反应为题设情景，考查学生全面分析、解决问题的能力，本题有一定的内涵和思考容量。 http://hbtk.126.com 中学综合学科网 第 9 页 共 9 页 http://hbtk.126.com _938089728.unknown