我们知道，内能可以转化成电能，电能可以转化成光能、内能或机械能……既然能量是守恒的，不会凭空消失，为什么我们还要节约能源呢？
机械能守恒定律告诉我们，做机械运动的物体具有动能和势能，相互之间可以转化 ；在电路中，电源将其他形式的能转化为电能，负载又将电能转化为内能、光能和机械能……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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这个规律叫作能量守恒定律（law of energy conservation）。
能量转移或转化的方向性
把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升？
这一现象并不违反能量守恒定律，但是这样的过程为什么不存在呢？科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。例如，假设达到相同温度的鸡蛋和水能自发地变成原来的温度的热鸡蛋和冷水，那么原来的过程就是可逆的。但事实上这个现象是不可逆的。虽然能量是守恒的，但是，在自然界中，能量的转化过程有些是可以自然发生的，有些则不能。例如，燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。又如，电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫作能量的耗散。
能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。能源的利用受这种方向性的制约，所以，能源的利用是有条件的，也是有代价的。
▶石油和煤炭是古代植物和动物的遗体在地层中经过一系列生物化学变化而生成的，与古生物化石有些相似，所以叫作化石能源。
能源的分类与应用
煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源。
水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能（图12.4-1）。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。
近年来，我国在能源开发方面取得了很大的成就。
太阳能发电 太阳能的利用对环境的影响很小。利用太阳能最有前途的领域是，通过太阳电池将太阳能直接转化成电能。目前我国是最大的光伏①产品制造国。2015 年年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到 4.158×107 kW。水力发电 水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式。水电对环境的影响比火电小，发电成本低。到2015 年中国水电装机总量突破 3×108 kW，约占全球水电装机总量的
，居世界第一。
风能发电 为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国风力资源丰富，尤其是西北、华北、华东、西南地区。随着新能源政策的引导及风力发电、并网等技术的发展，我国风力发电开发走在了世界前列，装机容量居全球第一。
核能发电 一些质量较大的原子核在裂变成较轻的原子核时，会释放出惊人的能量。同样质量的化学燃料与核燃料相比，如果都进行了完全反应，核燃料释放出的能量要远远大于化学燃料释放出的能量。可控制的裂变反应所释放出的能量，可以很好地被人们所利用。核电站就是利用可控核裂变来发电的。
有些质量较小的原子核聚合在一起发生聚变时，也会释放出能量（图 12.4-2）。
它比裂变反应的产能效率高，产生的核废料也比裂变的少，所以，由聚变产生核能是一种很好的方式。人们预计 21 世纪中叶，核聚变会有重大的技术突破。
由于核电站一旦发生核泄漏事故，就可能发生严重的危害，同时核废料仍然具有放射性，因此科学家们制订了严格的安全措施和安全标准。
我国具有完全自主知识产权的三代百万千瓦级核电技术电站——华龙一号（图 12.4-3），
吸取日本福岛核事故教训，同时根据我国和全球最新安全要求，设置了完善的严重事故预防和缓解措施，其安全指标和技术性能已达到国际最先进的三代水平。我国的核能发电技术已居于世界领先地位。
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① 光伏（PV or photovoltaic），是光伏发电系统（photovoltaic system）的简称。
能源与社会发展
人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。
火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。18 世纪末发明和逐步完善的蒸汽机，以对化石能源的大规模利用为特征，开始了人类文明的新纪元。内燃机的发展则强有力地推动了 19 世纪末、20世纪初开始的机械化与电气化进程。到了 20 世纪 50 年代，世界石油和天然气的消耗量超过了煤炭。20 世纪中叶之后，随着核能的和平利用以及其他新能源技术的发展，人类对能源的利用，正从第三个时期向多能源结构时期过渡，但这一转换还远没有完成。能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。
能源是人类社会活动的物质基础。然而，煤炭和石油资源是有限的。大量煤炭和石油产品在燃烧时产生的气体改变了大气的成分（图 12.4-4），
甚至加剧了气候的变化。例如，石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由此加剧了温室效应，使得两极的冰雪融化，海平面上升……再如，石油和煤炭中常常含有硫，燃烧时形成的二氧化硫等物质
使雨水的酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化土壤。
内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮的氧化物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒，会引起人的多种疾病。燃烧时产生的浮尘也是主要的污染物。
随着人口迅速增长、经济快速发展以及工业化程度的提高，能源短缺和过度使用化石能源带来的环境恶化已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。人类的生存与发展需要能源，能源的开发与使用又会对环境造成影响。可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡 ：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。这就需要树立新的能源安全观，并转变能源的供需模式。一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明。
汽车和能源
在发达国家，能源总量的40%左右消耗在交通运输业上，而各种汽车消耗的能量又占全部交通工具能耗总量的73%。在我国，汽车保有量迅速增加，汽车能源消耗、尾气污染随之大幅度增加。
一辆汽车以 80 km/h 的速度行驶时，每 10 km 耗油约1 L。根据汽油的热值进行简单的计算可知，这时消耗的功率约为70 kW。
图12.4-5是一辆小汽车行驶时功率分配的大致比例图。具体说来，在70 kW中，约有1 kW由于汽油的蒸发而“消失”。这部分“消失”的汽油分散到大气中，其化学能无法利用，而且还成了化学污染源。剩下的69 kW进入发动机，大约只有17 kW用于做功，而其余的52 kW包括了排气管排出的废热和散热器的热量散失，两者约各占一半。这是最大的一笔能量损耗。
废气的主要成分是CO2 和H2O。尽管这两种物质对人类没有毒性，但是CO2 是导致全球气候变暖的罪魁祸首。废气中还有CO、NO、NO2 以及未燃烧的碳氢化合物，这些则是有害的物质。
用于做功的17 kW也有不少损耗。约5 kW 用于发动机的水箱循环和空调，约3 kW 消耗于传动装置，最后只有9 kW 到达驱动轮，使得整辆汽车的总效率仅为13%左右。这9 kW的功率推动汽车前进，其中约一半用于克服空气阻力，另外一半用于克服摩擦。随着车速改变，克服空气阻力与摩擦的功率分配也会发生变化。
汽车的发明促进了社会生产的发展，也给我们的生活带来了很大的便利。但汽车在大量消耗能源的同时，也给环境带来了污染。
为了减少汽车造成的环境污染，许多国家对汽车的节能、减排提出了新的要求。现在汽车企业主要通过以下三个方面进行节能、减排技术改进。
一是在使用传统动力（汽柴油发动机）的基础上，进行综合节能技术的改进；
二是使用混合动力（汽柴油发动机、电动机）技术；
三是使用纯电动动力技术。
我国把混合动力车（包括插电式混合动力车）、氢燃料电池电动车和电池电动车统称为新能源汽车。我国新能源汽车产业始于21世纪初，目前基本上与发达国家处在同一个发展阶段。
1. 有人说 ：“既然能量不会凭空产生，也不会凭空消灭，能量在转化和转移的过程中，其总量是保持不变的，那么，我们为什么还要节约能源？”请你用能量转化和转移的方向性来论述节约能源的必要性。
2. 生活中的许多用品都可以看作能量转化器，它们把能量从一种形式转化为另一种形式。请观察你家中的各种生活用品，分别指出它们工作时进行了哪些能量转化。
3. 图 12.4-6 是某工程师的轻轨车站设计方案，与站台前后连接的轨道都有一个小坡度，列车进站时要上坡，出站时要下坡。假设站台高度比途中轨道高出 2 m，列车在途中轨道进站前的速度为 29.2 km/h。
（1）此时切断电源，不考虑阻力，列车能否“冲”上站台？ 如果能，到达站台上的速度是多大？ g 取 10 m/s2。
（2）你认为工程师这样设计的意图是什么？
4. 某地区的风速为 14 m/s，空气的密度为1.3 kg/m3 。若使风力发电机转动的风通过的截面积为 400 m2 ，且风能的 20% 可转化为电能，则发电功率是多少？
5. 图 12.4-7 是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量 E0 为 7×103 J/（m2·s）。一台热水器的聚热面积为 2 m2 ，若每天相当于太阳直射热水器 4 h，太阳能的 20% 可转化为水的内能，那么这个热水器一天内最多能利用的太阳能为多少？
6. 三峡水力发电站是我国最大的水力发电站。三峡水库蓄水后，平均水位落差约为 100 m，水的流量约为 1.35×104 m3 /s。船只通航需要约3 500 m3 /s 的流量，其余流量可全部用来发电。水流冲击水轮机发电时，水流减少的机械能有20% 转化为电能。
（1）按照以上数据估算，三峡发电站的发电功率最大是多少？
（2）根据你对家庭生活用电的调查来估算，如果三峡电站全部用于城市生活用电，它可以满足多少个百万人口城市的生活用电？
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