能源资源与效率
物理· 1.7.3· 25 分钟阅读
1. 核心：能源资源的分类★★☆☆☆⏱ 8 min
可再生资源与不可再生资源
不可再生资源（化石燃料、核燃料）储量有限，消耗速度快于其生成速度。可再生资源（太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能、生物燃料）在人类时间尺度上可不断得到补充。
各类资源在大规模发电场景下基于成本、可靠性、环境影响和地理可得性存在不同的权衡特性：
化石燃料（煤、石油、天然气）：能量密度高，输出稳定，但会排放温室气体与大气污染物，且储量有限。
核能：运行过程无碳排放，输出持续稳定，但会产生长寿命放射性废物，且退役成本极高。
太阳能：运行成本为零，运行阶段零排放，但输出受日照时长和天气影响，前期安装成本高。
风能：运行成本低，运行阶段零排放，但输出随风速波动，可能产生噪音污染和视觉污染。
水力发电：运行可靠，可满足峰值用电需求，但需要淹没大片土地，会迫使当地居民搬迁。
地热能：输出稳定，排放低，仅在构造活动活跃的区域具备开发可行性。
潮汐能：输出可预测，零排放，仅适用于潮差大的沿海区域。
生物燃料：若种植作物持续补种则可实现碳中和，但需要占用大量原本可用于粮食生产的农田。
与燃煤发电站相比，列举潮汐能发电的一项优势和一项劣势。
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步骤1：对比潮汐能与煤炭的优势：潮汐能运行过程中不产生二氧化碳排放，而煤炭燃烧会释放大量温室气体，加剧气候变化。
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步骤2：指出潮汐能的劣势：潮汐发电站仅能修建在潮差大的适宜沿海区域，而燃煤发电站几乎可以建在靠近燃料运输线路的任意位置。
Exam tip:
作答时务必将优势/劣势与题目指定的使用场景关联，例如即便太阳能输出存在波动，它对于偏远离网住宅而言仍是理想的供能方案。
2. 核心：理解能源效率（定性）★★☆☆☆⏱ 6 min
效率
衡量设备的总能量输入中，有多少比例转化为有用的能量输出。效率更高的设备浪费的输入能量更少。
例:
LED灯比灯丝灯的效率更高，因为输入的电能中更大比例转化为可用的光能，而非以热量形式浪费。
在所有能量转移过程中，总能量输入会在有用能量输出和浪费的能量之间分配。根据能量守恒定律：总能量输入 = 有用能量输出 + 浪费的能量。浪费的能量几乎总是以热能（热量）的形式耗散到周围环境中。
某盏灯丝灯和某盏LED灯输出的光量完全相同。请从有用能量和浪费能量的角度解释，为什么LED灯被认为效率更高。
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步骤1：在有用光能输出相同的前提下，LED灯消耗的总电能少于灯丝灯。
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步骤2：灯丝灯将很大比例的输入能量以热量形式浪费，而LED灯的能量浪费量要小得多。
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步骤3：由于LED灯的输入能量中更大比例转化为有用光能，因此它的效率更高（核心层级要求下无需进行计算）。
3. 拓展：效率计算与桑基图★★★★☆Extended 专属⏱ 9 min
效率（定量）
系统总能量输入中转化为有用能量输出的占比。效率没有单位，可以表示为0到1之间的小数，或是0%到100%之间的百分比。
例:
某灯泡将10 J电能转化为1 J光能，其效率为0.1，即10%。
一台电动机消耗2000 J电能来提升一个箱子，将其中600 J的能量转化为箱子的重力势能。计算该电动机的效率，结果以百分比形式表示。
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步骤1：确定已知量：总输入能量 = 2000 J，有用输出能量 = 600 J。
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最终答案：30%
桑基图
按比例绘制的能量流动示意图，展示能量在系统中的流转过程，每一个箭头的宽度与它代表的能量大小成正比。最左侧的箭头代表总输入能量，右侧的箭头拆分为有用输出流和浪费能量流。
你也可以使用功率值来计算效率（因为功率是单位时间的能量），使用相同的比例公式：
某电暖器的桑基图显示，其输入电能为1000 J，有用热量输出为950 J，浪费的声能为50 J。计算该电暖器的效率，并解释为什么它的效率远高于大多数其他家用电器。
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步骤1：将数值代入效率公式：
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步骤2：解释：电暖器的作用就是产生热量，因此电阻耗散的几乎所有废能也都以热量形式释放，意味着几乎没有能量以声能或光能等其他形式流失。
Exam tip:
读取桑基图时，务必将所有输出箭头的能量值相加，确认其总和与输入箭头的能量值相等，避免遗漏废能流。
4. 常见陷阱
错误做法:
将核燃料归类为可再生资源
原因:
核燃料使用的铀储量是有限的，在人类的时间尺度上无法得到补充
正确做法:
将核燃料归类为不可再生资源
错误做法:
用总输入除以有用输出来计算效率
原因:
这会得到大于1的数值，违反能量守恒定律
正确做法:
始终用有用输出除以总输入，并确认你的结果不超过100%
错误做法:
声称生物燃料的碳排放为零
原因:
燃烧生物燃料会释放二氧化碳；只有当种植对应作物来吸收CO₂时，排放量才能被抵消
正确做法:
说明可持续生产的生物燃料是碳中和的，而非零排放
错误做法:
在拓展题的效率计算中混用能量值和功率值
原因:
单位不一致会得到无效的、非无量纲的效率数值
正确做法:
先统一单位（例如将功率乘以时间得到能量），再应用效率公式
错误做法:
认为可再生资源总是比不可再生资源更便宜
原因:
许多可再生资源的前期安装成本非常高，即使运行成本很低
正确做法:
比较资源成本时，要区分前期资本成本和后续运行成本
5. 速查表
概念 | 核心要点/公式 | 拓展补充内容 |
|---|---|---|
资源分类 | 不可再生：化石燃料、核能；可再生：太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物燃料 | 解读桑基图（箭头宽度代表能量大小） |
效率 | 定性描述：输入能量中被有效转移的部分；其余部分被浪费（主要以热量形式） | ；也等于有用功率除以总功率 |
核心规则 | 效率永远不能超过100%（能量守恒定律） | 输出能量流的总和等于总输入能量流 |
6. 常见问题
我如何将效率计算为百分比形式？
将有用输出能量与总输入能量的比值乘以100：
所有可再生资源都是碳中和的吗？
大多数可再生资源的排放量远低于化石燃料，但部分资源（例如生物燃料）在收获/加工过程中会释放碳，因此它们并非始终100%碳中和。
深入阅读
下一步
在掌握CIE IGCSE物理0625第1单元的能源资源与效率内容后，你可以继续学习功和功率，这是运动、力与能量单元的下一个核心子主题。你还应该练习本主题的结构化考试题，熟悉常见的出题表述，尤其是要求针对特定使用场景对比多种能源资源的拓展类题目。请确保你可以将效率计算应用于从灯泡到电网级发电站的各类系统，这类内容在拓展试卷中出现频率很高。