| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.A |
|
能源资源与消耗
AP 环境科学 · 第 6 主题
6.1
可再生与不可再生资源
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一种可再生资源(renewable resource)在一个人类时间尺度上补充(太阳、风、水、生物质);一种不可再生资源(nonrenewable resource)以固定的量存在,需要数百万年形成(化石燃料、核燃料)。不可再生资源最终会耗尽而且常常污染更多。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| renewable resource | 可再生资源 | kě zài shēng zī yuán |
| nonrenewable resource | 不可再生资源 | bù kě zài shēng zī yuán |
| fossil fuels | 化石燃料 | huà shí rán liào |
| Wind | 风能 | fēng néng |
| wind turbines | 风力涡轮机 | fēng lì wō lún jī |
6.2
全球能源消耗
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
全球能源使用在上升,尤其是在发展中国家。大多数能源仍来自化石燃料(fossil fuels)。富有的国家每人消费最多;对能源的获取塑造经济发展。
Trace energy from source to use
A Sankey diagram shows how energy flows from sources to useful work — and how much is lost. Most primary energy is wasted as heat before it does anything useful.
6.3
燃料类型与用途
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.C |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
不同的燃料适合不同的需要:煤和天然气用于电力、石油用于运输,而生物质在许多地区用于取暖和烹饪。每个在成本、可用性和污染上都有取舍。
6.4
自然能源资源的分布
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.D |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
能源资源不均匀地分布——石油集中在一些地区、煤在另一些,而可再生资源取决于本地的太阳、风或河流。这种不均匀的分布驱动贸易、经济和地缘政治。
6.5
化石燃料
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.E |
|
ENG-3.F |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
化石燃料(coal、oil、natural gas)由古老的生物形成。它们能量密集而可靠,但不可再生并且是 $\text{CO}_2$ 和空气污染的主要来源。煤是最脏的;天然气燃烧得更清洁但泄漏甲烷(methane)。

煤分阶段形成,它的等级(rank)随它所经受的热、压力和埋藏深度而上升。部分分解的植物物质先变成泥炭(peat)(它本身也能晒干后燃烧),然后是柔软的褐煤,再是烟煤(bituminous),最后是坚硬的无烟煤(anthracite)——每一步都更干、含碳更多、能量更高,所以无烟煤燃烧得最热、最清洁。
石油和天然气越来越多地通过水力压裂(hydraulic fracturing)(“fracking”)获取:把一种高压液体泵入页岩把它压裂,释放被困的燃料。它解锁了巨大的储量,但能污染地下水(甲烷和化学品进入饮用水井)、向空气释放挥发性有机化合物(volatile organic compounds),并引发小地震。
原油也能从油砂(tar sands)开采——黏土、沙、水和浓稠沥青(bitumen)的混合物。分离出石油既耗能又耗水,还清除大片土地,所以每桶油的环境代价很高。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| methane | 甲烷 | jiǎ wán |
| lignite | 褐煤 | hè méi |
| peat | 泥炭 | ní tàn |
| bituminous | 烟煤 | yān méi |
| anthracite | 无烟煤 | wú yān méi |
| hydraulic fracturing | 水力压裂 | shuǐ lì yā liè |
| volatile organic compounds | 挥发性有机化合物 | huī fā xìng yǒu jī huà hé wù |
| tar sands | 油砂 | yóu shā |
| bitumen | 沥青 | lì qīng |
| power station | 发电站 | fā diàn zhàn |
6.6
核能
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.G |
|
ENG-3.H |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
核能(nuclear power)分裂铀(裂变(fission))来煮沸水并驱动涡轮机。它产生没有 $\text{CO}_2$ 并从少量燃料产生大量能量,但风险包括放射性核废料(waste)(长寿命)、堆芯熔毁的危险,和高成本。
Worked example. 放射性废料按它的半衰期(half-life)衰变——它的一半衰变所需的时间。假设一个同位素有 $30$ 年的半衰期而一个反应堆留下 $100\ \text{g}$ 它。$30$ 年后剩 $50\ \text{g}$;$60$ 年后 $25\ \text{g}$;$90$ 年(三个半衰期)后 $100\times\left(\tfrac12\right)^3=12.5\ \text{g}$。因为下降是减半、不是线性的,废料在许多半衰期里保持危险——它必须被安全地存储几个世纪的核心原因。


| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Nuclear power | 核能 | hé néng |
| fission | 裂变 | liè biàn |
| waste | 核废料 | hé fèi liào |
| nuclear power station | 核电站 | hé diàn zhàn |
6.7
生物质能
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.I |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
生物质(biomass)(木材、作物、废物、像乙醇这样的生物燃料)是可再生的,而且若重新种植能碳中和,但燃烧它造成空气污染,而种植燃料作物与食物和栖息地竞争。
乙醇(ethanol)由玉米或甘蔗等作物制成,能替代汽油,燃烧时不增加新的碳(植物生长时吸收了那些 $\text{CO}_2$)。它的缺点是能量投资回报率(EROEI)(energy return on energy investment)低:种植、收获和蒸馏作物所用的能量,几乎和燃料最终提供的能量一样多。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Biomass | 生物质 | shēng wù zhì |
| Ethanol | 乙醇 | yǐ chún |
| energy return on energy investment (EROEI) | 能量投资回报率 | néng liàng tóu zī huí bào lǜ |
6.8
太阳能
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.J |
|
ENG-3.K |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
太阳能(solar)把阳光转换成电(光伏板)或热。它是可再生的而且使用时清洁,但间歇性(晚上没有太阳)、需要空间,而且有制造影响。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Solar | 太阳能 | tài yáng néng |
| photovoltaic | 光伏 | guāng fú |
6.9
水力发电
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.L |
|
ENG-3.M |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
水电(hydroelectric)力用流动的水(大坝)来旋转涡轮机——可再生而低排放,但大坝淹没栖息地、阻挡鱼类迁徙、截留泥沙,并使人们流离失所。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Hydroelectric | 水电 | shuǐ diàn |
| reservoir | 水库 | shuǐ kù |
| dam | 大坝 | dà bà |
6.10
地热能
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.N |
|
ENG-3.O |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
地热能(geothermal)开采地球的内部热用于电力和取暖。它是可再生而可靠的,但只在热岩石接近表面的地方(火山地区)实用,而且能释放地下气体。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Geothermal | 地热能 | dì rè néng |
| Steam | 蒸汽 | zhēng qì |
6.11
氢燃料电池
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.P |
|
ENG-3.Q |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个氢燃料电池(hydrogen fuel cell)结合氢和氧制造电,使用时水作为唯一的排放。但生产氢通常需要能量(常常来自化石燃料),而存储很难。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| hydrogen fuel cell | 氢燃料电池 | qīng rán liào diàn chí |
6.12
风能
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.R |
|
ENG-3.S |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
风能(wind)涡轮机把移动的空气转换成电——可再生、清洁而低运营成本,但间歇性、土地或海洋密集,而且对鸟和蝙蝠是一个危险。在风强而稳定的地方最好。

6.13
能源节约
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
ENG-3 | ENG-3.T |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
节能(energy conservation)通过效率(LED 照明、隔热、高效电器、公共交通)和行为减少需求。节约能源常常是最便宜和最清洁的选项——你不使用的能源不需要燃料而且不造成污染。
一个相关的效率提升是热电联产(cogeneration)(热与电联合生产):一次燃料燃烧同时用来产生电和有用的热,捕获普通电厂直接扔掉的废热——所以燃料能量中远更多的部分最终做了有用功。
Worked example. 用一个给出相同光的 $10\ \text{W}$ LED 替换一个 $60\ \text{W}$ 白炽灯泡节省 $50\ \text{W}$。每天运行它 $5$ 小时每天节省 $50\ \text{W}\times5\ \text{h}=250\ \text{Wh}=0.25\ \text{kWh}$,或每年约 $0.25\times365\approx91\ \text{kWh}$。把那个乘以一座城市里的每个灯泡,节约就匹敌一座新发电厂——以远低的成本。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Energy conservation | 节能 | jié néng |
| cogeneration | 热电联产 | rè diàn lián chǎn |
6.13
考试技巧
- 把可再生(太阳、风、水)与不可再生(化石燃料、核)分开并权衡每种来源的取舍。
- 化石燃料能量密集但排放 CO₂;核不排放 CO₂ 但留下长寿命的废料。
- 做半衰期数学:$n$ 个半衰期后剩下一个分数 $(\tfrac12)^n$。
- 注意太阳能和风能是间歇性的并需要存储或备用。
- 节约(效率)常常是最便宜、最清洁的选项——不使用的能源不需要燃料。
- 知道煤的等级(泥炭 → 褐煤 → 烟煤 → 无烟煤;越多热/压力/埋藏 → 能量越高)以及非常规燃料水力压裂(页岩油/气;地下水 + VOC 污染)和油砂(沥青,耗能)。
- 乙醇不增加净 CO₂,但 EROEI 低;热电联产捕获废热,使一种燃料同时提供电和热。
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