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能源资源与消耗

AP 环境科学 · 知识点 6

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9:13

能源资源与消耗

看看地上的这个坑。一台机器挖出柔软的褐煤,其后方的发电厂当天便将其燃烧殆尽。现在再看看这个:三座塔矗立在……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

6.1

可再生与不可再生资源

教学大纲

持久理解 (ENG-3): 人类利用多种能源来源,这带来了积极和消极的后果。

学习目标 ENG-3.A: 识别不可再生能源与可再生能源之间的差异。

  • ENG-3.A.1 不可再生能源是指储量固定且其能量转化过程难以被轻易替代的能源。
  • ENG-3.A.2 可再生能源是指能够以等于或高于消费速率自然补充并可重复使用的能源。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A renewable resource 可再生资源 replenishes on a human timescale (sun, wind, water, biomass); a nonrenewable resource 不可再生资源 exists in fixed amounts that take millions of years to form (fossil fuels, nuclear fuel). Nonrenewables will eventually run out and often pollute more.

Wind turbines: renewable sources replenish on human timescales; fossil fuels do not
Wind turbines: renewable sources replenish on human timescales; fossil fuels do not
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可再生还是不可再生?

按照大自然是否补充它,或它会耗尽,给每种能源分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
renewable resource/rɪˈnjuːəbl rɪˈzɔːs/ 可再生资源 kě zài shēng zī yuán
nonrenewable resource/ˌnɒnrɪˈnjuːəbl rɪˈzɔːs/ 不可再生资源 bù kě zài shēng zī yuán
6.2

全球能源消耗

教学大纲

持久理解 (ENG-3): 人类使用多种来源的能源,这既产生了积极影响,也带来了消极后果。

学习目标 ENG-3.B: 描述能源消费的趋势。

  • ENG-3.B.1 能源资源的使用在发达国家和发展中国家之间分布不均。
  • ENG-3.B.2 目前全球使用最广泛的能源来源是化石燃料。
  • ENG-3.B.3 随着发展中国家的经济发展,其对化石燃料作为能源的依赖程度会增加。
  • ENG-3.B.4 随着世界工业化程度的提高,对能源的需求也随之增加。
  • ENG-3.B.5 可用性、价格以及政府法规影响着人们选择和使用何种能源。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Global energy use is rising, especially in developing nations. Most energy still comes from fossil fuels 化石燃料. Wealthy nations consume the most per person; access to energy shapes economic development.

Approximate world primary energy mix: about 80% fossil fuels
Approximate world primary energy mix: about 80% fossil fuels
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追踪从源头到使用的能量

桑基图展示了能量如何从源头流向有用功——以及损失了多少。大部分一次性能量在做任何有用功之前就作为热量浪费了。

词汇 训练
English 中文 拼音
fossil fuels/ˈfɒsl ˈfjuːəlz/ 化石燃料 huà shí rán liào
6.3

燃料类型与用途

教学大纲

持久理解 (ENG-3): 人类利用来自多种能源的能源,由此产生积极和消极的后果。

学习目标 ENG-3.C: 识别燃料的类型及其用途。

  • ENG-3.C.1 木材常以薪柴和木炭的形式用作燃料。由于易于获取,它常被用于发展中国家。
  • ENG-3.C.2 泥炭是部分分解的有机物,可燃烧作为燃料。
  • ENG-3.C.3 用作燃料的三种煤是褐煤、烟煤和无烟煤。热量、压力和埋藏深度促成了各种煤的形成及其品质。
  • ENG-3.C.4 天然气是化石燃料中最清洁的一种,主要成分是甲烷。
  • ENG-3.C.5 原油可从油砂中开采出来,油砂是黏土、沙子、水和沥青的混合物。
  • ENG-3.C.6 化石燃料可被加工成特定类型的燃料,用于专门用途(例如在机动车辆中)。
  • ENG-3.C.7 热电联产是指使用一种燃料源同时产生有用热能和电力的过程。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Different fuels suit different needs: coal and natural gas for electricity, oil for transportation, and biomass for heating and cooking in many regions. Each has trade-offs in cost, availability, and pollution.

Approximate CO₂ released per unit of electricity by fuel type
Approximate CO₂ released per unit of electricity by fuel type
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每种燃料主要用于什么?

按照主要用途给每种燃料分类——驱动车辆,还是产生电和热。

6.4

自然能源资源的分布

教学大纲

**持久理解 (ENG-3):**人类利用多种来源的能量,这带来了积极和消极的后果。

**学习目标 ENG-3.D:**识别自然资源的分布位置。

  • ENG-3.D.1 全球自然资源(如矿床、煤炭、原油和天然气)的分布是不均匀的,且取决于各地区的地质历史。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Energy resources are unevenly distributed – oil is concentrated in some regions, coal in others, and renewables depend on local sun, wind, or rivers. This uneven distribution drives trade, economics, and geopolitics.

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每种资源依赖什么?

按照每种资源的位置是取决于气候还是地质,给它们分类。

6.5

化石燃料

教学大纲

**持久理解 (ENG-3):**人类利用多种能源来源,这带来了正面和负面的后果。

**学习目标 ENG-3.E:**描述发电中化石燃料的使用及方法。

  • ENG-3.E.1 化石燃料的燃烧是燃料与氧气之间发生的化学反应,生成二氧化碳和水并释放能量。
  • ENG-3.E.2 来自化石燃料的能量是通过燃烧这些燃料产生热量而获得的,热量随后将水转化为蒸汽。蒸汽推动涡轮机旋转,进而带动发电机运转,从而产生电力。
  • ENG-3.E.3 人类采用多种方法从地下开采化石燃料用于发电。

**学习目标 ENG-3.F:**描述化石燃料对环境的影响。

  • ENG-3.F.1 水力压裂(fracking)可能导致地下水污染以及挥发性有机化合物的释放。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Fossil fuels (coal, oil, natural gas) formed from ancient organisms. They are energy-dense and reliable but nonrenewable and the main source of $\text{CO}_2$ and air pollution. Coal is the dirtiest; natural gas burns cleaner but leaks methane 甲烷.

An open-pit lignite coal mine, with the burning power station just behind it: the fuel is dug straight out of the ground and burned on the spot
An open-pit lignite 褐煤 (brown coal) mine feeding the power station 发电站 behind it — the fuel is dug from the ground and burned on the spot

Coal forms in stages, and its rank climbs with the heat, pressure, and depth of burial it has endured. Partly decomposed plant matter first becomes peat 泥炭 (which can itself be dried and burned), then soft brown lignite, then bituminous 烟煤 coal, and finally hard anthracite 无烟煤 – each step is drier, more carbon-rich, and higher in energy, so anthracite burns hottest and cleanest.

Oil and natural gas are increasingly reached by hydraulic fracturing 水力压裂 ("fracking"): a high-pressure fluid is pumped into shale rock to crack it open and release the trapped fuel. It has unlocked huge reserves, but it can contaminate groundwater (methane and chemicals reaching drinking-water wells), release volatile organic compounds 挥发性有机化合物 into the air, and trigger minor earthquakes.

Crude oil can also be recovered from tar sands 油砂 – a mix of clay, sand, water, and thick bitumen 沥青. Separating the oil is energy- and water-intensive and clears large areas of land, so its environmental cost per barrel of oil is high.

词汇 训练
English 中文 拼音
methane/ˈmiːθeɪn/ 甲烷 jiǎ wán
lignite/ˈlɪɡnaɪt/ 褐煤 hè méi
peat/piːt/ 泥炭 ní tàn
bituminous/baɪˈtjuːmɪnəs/ 烟煤 yān méi
anthracite/ˈænθrəsaɪt/ 无烟煤 wú yān méi
hydraulic fracturing/haɪˈdrɔːlɪk ˈfræktʃərɪŋ/ 水力压裂 shuǐ lì yā liè
volatile organic compounds/ˈvɒlətaɪl ɔːˈɡænɪk ˈkɒmpaʊndz/ 挥发性有机化合物 huī fā xìng yǒu jī huà hé wù
tar sands/tɑː sændz/ 油砂 yóu shā
bitumen/ˈbɪtʃuːmən/ 沥青 lì qīng
power station/ˈpaʊə ˈsteɪʃn/ 发电站 fā diàn zhàn
6.6

核能

教学大纲

**持久理解 (ENG-3):**人类利用多种能源,这产生了积极和消极的后果。

**学习目标 ENG-3.G:**描述核能在发电中的应用。

  • ENG-3.G.1 核能通过裂变产生,即储存在燃料棒中的铀-235原子在被中子撞击后分裂成更小的部分。核裂变释放大量的热,用于产生蒸汽,驱动涡轮机并发电。
  • ENG-3.G.2 放射性是指放射性同位素的原子核通过发射辐射而损失能量的过程。
  • ENG-3.G.3 铀-235会保持放射性很长时间,这导致了与核废料处置相关的问题。
  • ENG-3.G.4 核能发电是一种不可再生能源。核能被认为是一种更清洁的能源,因为它不产生空气污染物,但它确实会产生热污染和有害固体废物。

**学习目标 ENG-3.H:**描述核能使用对环境的影响。

  • ENG-3.H.1 三里岛、切尔诺贝利和福岛是三个因事故或自然灾害导致辐射释放的案例。这些释放对环境产生了短期和长期的影响。
  • ENG-3.H.2 放射性元素的半衰期可用于计算多种事物,包括衰变速率和特定时间点的放射性水平。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Nuclear power 核能 splits uranium (fission 裂变) to boil water and drive turbines. It produces no $\text{CO}_2$ and lots of energy from little fuel, but risks include radioactive waste 核废料 (long-lived), the danger of meltdowns, and high cost.

Worked example. Radioactive waste decays by its half-life – the time for half of it to decay. Suppose an isotope has a half-life of $30$ years and a reactor leaves $100\ \text{g}$ of it. After $30$ years $50\ \text{g}$ remains; after $60$ years $25\ \text{g}$; after $90$ years (three half-lives) $100\times\left(\tfrac12\right)^3=12.5\ \text{g}$. Because the drop is halving, not linear, the waste stays hazardous for many half-lives – the core reason it must be stored safely for centuries.

Nuclear fission of a uranium-235 nucleus releases energy
Nuclear fission of a uranium-235 nucleus releases energy
A nuclear power station beside the sea: two large rectangular reactor buildings, using seawater for cooling
A nuclear power station 核电站. The reactor buildings hold the fuel; the sea supplies cooling water. Notice there is no smoke — fission releases no $\text{CO}_2$
词汇 训练
English 中文 拼音
Nuclear power/ˈnjuːklɪə ˈpaʊə/ 核能 hé néng
fission/ˈfɪʃn/ 裂变 liè biàn
waste/weɪst/ 核废料 hé fèi liào
nuclear power station/ˈnjuːklɪə ˈpaʊə ˈsteɪʃn/ 核电站 hé diàn zhàn
6.7

生物质能

教学大纲

持久理解 (ENG-3): 人类利用多种能源,这带来了积极和消极的后果。

学习目标 ENG-3.I: 描述在发电中使用生物质对环境的影响。

  • ENG-3.I.1 燃烧生物质能以相对较低的成本产生热能用于能源生产,但同时也会产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物以及挥发性有机化合物。为获取燃料而过度砍伐树木还会导致森林砍伐。
  • ENG-3.I.2 乙醇可作为汽油的替代品使用。燃烧乙醇不会通过燃烧向大气中引入额外的碳,但乙醇的能量投资回报率较低。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Biomass 生物质 (wood, crops, waste, biofuels like ethanol) is renewable and can be carbon-neutral if replanted, but burning it causes air pollution, and growing fuel crops competes with food and habitat.

Ethanol 乙醇, made from crops such as corn or sugarcane, can substitute for gasoline and adds no new carbon when burned (the plant absorbed that $\text{CO}_2$ as it grew). Its drawback, especially for corn ethanol, is a low energy return on energy investment (EROEI) 能量投资回报率: growing, harvesting, and distilling the corn uses nearly as much energy as the fuel finally delivers. (Sugarcane ethanol returns several times its energy input.)

Biomass energy is carbon-neutral only if regrowth keeps pace with harvest
Biomass energy is carbon-neutral only if regrowth keeps pace with harvest
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生物质能的好处还是代价?

把燃烧生物质的每个特点归入好处或代价。

词汇 训练
English 中文 拼音
Biomass/ˌbaɪəʊˈmæs/ 生物质 shēng wù zhì
Ethanol/ˈeθənɒl/ 乙醇 yǐ chún
energy return on energy investment (EROEI)/ˈenədʒi rɪˈtɜːn ɒn ˈenədʒi ɪnˈvestmənt/ 能量投资回报率 néng liàng tóu zī huí bào lǜ
6.8

太阳能

教学大纲

**持久理解 (ENG-3):**人类利用多种能源,这会产生积极和消极的后果。

**学习目标 ENG-3.J:**描述太阳能在发电中的使用。

  • ENG-3.J.1 光伏太阳能电池捕获来自太阳的光能,并将其直接转化为电能。其使用受到阳光可用性的限制。
  • ENG-3.J.2 主动式太阳能系统利用机械和电气设备加热液体,以收集并储存从太阳捕获的能量。
  • ENG-3.J.3 被动式太阳能系统直接从太阳吸收热量,无需使用机械和电气设备,且无法收集或储存能量。

**学习目标 ENG-3.K:**描述太阳能在发电中的使用对环境的影响。

  • ENG-3.K.1 太阳能系统对环境影响小,能产生清洁能源,但成本可能较高。大型太阳能农场可能会对沙漠生态系统产生负面影响。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Solar 太阳能 converts sunlight to electricity (photovoltaic panels) or heat. It is renewable and clean during use, but intermittent (no sun at night), needs space, and has manufacturing impacts.

A large field covered in rows of tilted solar panels under a blue sky
A solar farm. Rows of photovoltaic 光伏 panels are tilted toward the sun; a big output needs a large area of land
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主动式还是被动式太阳能?

按照使用设备(主动式)还是仅靠巧妙的设计(被动式),给每个例子分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Solar/ˈsəʊlə/ 太阳能 tài yáng néng
photovoltaic/ˌfəʊtəʊvəʊlˈteɪɪk/ 光伏 guāng fú
6.9

水力发电

教学大纲

**持久理解 (ENG-3):**人类利用多种能源,这带来了积极和消极的后果。

**学习目标 ENG-3.L:**描述水力发电在电力生产中的应用。

  • ENG-3.L.1 水力发电可以通过多种方式产生。横跨河流修建的大坝可以将水收集在水库中。流动的水可以用来驱动涡轮机旋转。涡轮机也可以安置在小河中,利用流水带动涡轮机旋转。
  • ENG-3.L.2 潮汐能利用潮汐流动产生的能量来驱动涡轮机旋转。

**学习目标 ENG-3.M:**描述水力发电在电力生产中对环境的影响。

  • ENG-3.M.1 水力发电不产生空气污染或废弃物,但发电厂的建设成本可能很高,且大坝建成后可能会导致栖息地的丧失或改变。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Hydroelectric 水电 power uses flowing water (dams) to spin turbines – renewable and low-emission, but dams flood habitat, block fish migration, trap sediment, and displace people.

A tall concrete dam in a canyon: a full reservoir behind the curved wall, and the power house at the base where water is released
A hydroelectric dam 大坝. The reservoir 水库 is held back behind the wall; water falls through the dam to spin turbines in the power house at its base
探索

大坝的好处还是代价?

把水力发电大坝的每个影响归入好处或代价。

词汇 训练
English 中文 拼音
Hydroelectric/ˌhaɪdrəʊɪˈlektrɪk/ 水电 shuǐ diàn
reservoir/ˈrezəvwɑː/ 水库 shuǐ kù
dam/dæm/ 大坝 dà bà
6.10

地热能

教学大纲

持久理解 (ENG-3): 人类利用多种能源,这会产生正面和负面的后果。

学习目标 ENG-3.N: 描述地热能用于发电的应用。

  • ENG-3.N.1 地热能是通过利用地球内部储存的热量来加热水,产生的蒸汽被带回地表。该蒸汽用于驱动发电机发电。

学习目标 ENG-3.O: 描述地热能用于发电对环境的影响。

  • ENG-3.O.1 获取地热能成本可能高得令人望而却步,因为地热能并非世界许多地区都易于获取。此外,它可能导致硫化氢的释放。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Geothermal 地热能 taps Earth's internal heat for electricity and heating. It is renewable and reliable, but only practical where hot rock is near the surface (volcanic regions) and can release underground gases.

A geothermal power station on a bare volcanic plain in Iceland, with white steam rising from the plant and pipes
A geothermal power station in Iceland, a volcanic region. Steam 蒸汽 from hot rock below is piped up to drive the turbines
词汇 训练
English 中文 拼音
Geothermal/ˌdʒiːəʊˈθɜːml/ 地热能 dì rè néng
Steam/stiːm/ 蒸汽 zhēng qì
6.11

氢燃料电池

教学大纲

持久理解 (ENG-3): 人类从多种能源中获取能量,这带来了积极和消极的后果。

学习目标 ENG-3.P: 描述氢燃料电池在发电中的应用。

  • ENG-3.P.1 氢燃料电池是非可再生能源的一种替代方案。它们以氢气为燃料,将空气中的氢气和氧气结合生成水,并在该过程中释放能量(电能)。水是燃料电池的产物(排放物)。

学习目标 ENG-3.Q: 描述氢燃料电池在发电中的使用对环境的影响。

  • ENG-3.Q.1 如果氢气是由水制取的,氢燃料电池对环境的影响较小且不会产生二氧化碳。然而,该技术成本高昂,且仍需消耗能量来制造用于燃料电池的氢气。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A hydrogen fuel cell 氢燃料电池 combines hydrogen and oxygen to make electricity, with water as the only emission at use. But producing hydrogen usually requires energy (often from fossil fuels), and storage is difficult.

A hydrogen-oxygen fuel cell makes electricity, with water as the only product
A hydrogen-oxygen fuel cell makes electricity, with water as the only product
词汇 训练
English 中文 拼音
hydrogen fuel cell/ˈhaɪdrədʒn ˈfjuːəl sel/ 氢燃料电池 qīng rán liào diàn chí
6.12

风能

教学大纲

**持久理解 (ENG-3):**人类利用多种能源,这带来了积极和消极的后果。

**学习目标 ENG-3.R:**描述风力发电中风能的使用情况。

  • ENG-3.R.1 风力涡轮机利用流动空气的动能带动涡轮旋转,进而驱动发电机运转,产生电能。

**学习目标 ENG-3.S:**描述风力发电中使用风能对环境的影响。

  • ENG-3.S.1 风能是一种可再生的清洁能源。然而,如果鸟类或蝙蝠撞上旋转的涡轮叶片,可能会被杀死。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Wind 风能 turbines convert moving air to electricity – renewable, clean, and low-operating-cost, but intermittent, land- or sea-intensive, and a hazard to birds and bats. Best where winds are strong and steady.

Three tall white wind turbines standing on green farmland
Wind turbines 风力涡轮机 on farmland. They take little ground, so the land between them can still be farmed
探索

风能的好处还是代价?

把风能的每个特点归入好处或代价。

词汇 训练
English 中文 拼音
Wind/wɪnd/ 风能 fēng néng
wind turbines/wɪnd ˈtɜːbaɪnz/ 风力涡轮机 fēng lì wō lún jī
6.13

能源节约

教学大纲

持久理解(ENG-3): 人类利用多种能源,这带来了积极和消极的后果。

学习目标 ENG-3.T: 描述节能的方法。

  • ENG-3.T.1 家庭节能的一些方法包括:调节恒温器以减少取暖和空调的使用、节约用水、使用节能电器以及采用生态景观绿化设计。
  • ENG-3.T.2 大规模节能的方法包括:提高车辆燃油经济性、使用纯电动汽车(BEVs)和混合动力汽车、使用公共交通工具,以及实施绿色建筑的设计特征。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Energy conservation 节能 reduces demand through efficiency (LED lighting, insulation, efficient appliances, public transport) and behavior. Saving energy is often the cheapest and cleanest option – the energy you do not use needs no fuel and makes no pollution.

A related efficiency gain is cogeneration 热电联产 (combined heat and power): a single fuel burn is used to make both electricity and useful heat, capturing the waste heat that an ordinary power plant simply dumps – so far more of the fuel's energy ends up doing useful work.

Worked example. Replacing a $60\ \text{W}$ incandescent bulb with a $10\ \text{W}$ LED that gives the same light saves $50\ \text{W}$. Running it $5$ hours a day saves $50\ \text{W}\times5\ \text{h}=250\ \text{Wh}=0.25\ \text{kWh}$ per day, or about $0.25\times365\approx91\ \text{kWh}$ per year. Multiply that by every bulb in a city and conservation rivals a new power plant – at far lower cost.

A solar farm: generating more renewable energy and cutting demand are both energy-conservation strategies
A solar farm: generating more renewable energy and cutting demand are both energy-conservation strategies
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节约能源还是浪费能源?

按照每个日常行为是节约还是浪费能源,给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Energy conservation/ˈenədʒi ˌkɒnsəˈveɪʃn/ 节能 jié néng
cogeneration/ˌkəʊdʒənəˈreɪʃn/ 热电联产 rè diàn lián chǎn
6.13

考试技巧

English
  • Separate renewable (sun, wind, water) from non-renewable (fossil fuels, nuclear) and weigh each source's trade-offs.
  • Fossil fuels are energy-dense but emit CO₂; nuclear emits no CO₂ but leaves long-lived waste.
  • Do half-life math: after $n$ half-lives a fraction $(\tfrac12)^n$ remains.
  • Note that solar and wind are intermittent and need storage or backup.
  • Conservation (efficiency) is often the cheapest, cleanest option — the energy not used needs no fuel.
  • Know the coal ranks (peat → lignite → bituminous → anthracite; more heat/pressure/burial → higher energy) and the unconventional fuels fracking (shale oil/gas; groundwater + VOC pollution) and tar sands (bitumen, energy-intensive).
  • Ethanol adds no net CO₂ but has a low EROEI; cogeneration (combined heat and power) captures waste heat so one fuel gives both electricity and heat.

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