Lý thuyết Sử dụng năng lượng - Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều

Bài 13. Sử dụng năng lượng

I. Vòng năng lượng trên Trái Đất

- Năng lượng mặt trời không thể thiếu trong cuộc sống của con người và các vật sống khác trên Trái Đất.

- Năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành các dạng năng lượng từ gió, năng lượng sinh khối, năng lượng từ dòng chảy,.... Sự chuyển hóa năng lượng mặt trời theo vòng tuần hoàn của nước hay thông qua sự chuyển hóa năng lượng giữa các vật sống,... tạo thành các vòng năng lượng trên Trái Đất.

Vòng tuần hoàn của nước

- Trong vòng tuần hoàn của nước cũng có sự chuyển hóa năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng.

- Các giai đoạn chủ yếu của vòng tuần hoàn nước là nước từ dạng lỏng bốc hơi dưới tác động của ánh sáng mặt trời, hơi nước ngưng tụ thành các đám mây và mưa.

- Thoát hơi nước ở thực vật trên cạn cũng chuyển vận một lượng hơi nước đáng kể vào bầu khí quyển. Nước ở bề mặt đất và nước ngầm có thể chảy xuống đại dương, khép kín vòng chuyển vận nước.

- Vòng năng lượng theo vòng tuần hoàn của nước xảy ra một cách tự nhiên và không được nhìn thấy bằng mắt.

+ Quá trình bắt đầu khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống mặt đất và biển, làm nóng nước và khí quyển.

+ Sự nóng lên này tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng trên Trái Đất, gây ra sự chuyển động của không khí và các dòng hải lưu (dòng biển) trong đại dương, tạo ra gió và các hiện tượng thời tiết.

+ Như vậy, ở giai đoạn đầu của vòng năng lượng theo vòng tuần hoàn của nước, cần lấy năng lượng từ Mặt Trời để chuyển hóa thành năng lượng từ gió, năng lượng từ dòng chảy, năng lượng từ sóng biển, từ dòng biển trên Trái Đất.

Vòng tuần hoàn của carbon

- Quá trình trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng giữa các vật sống tạo thành một vòng năng lượng trên Trái Đất

- Vòng năng lượng giữa các vật sống là quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn thực vật (thông qua quá trình quang hợp) cho đến các động vật.

+ Ở quá trình quang hợp, thực vật hấp thụ năng lượng mặt trời, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hóa năng lưu trữ trong lục lạp của chúng.

+ Thức ăn của động vật thường là thực vật hoặc các động vật khác. Các động vật ăn thực vật để lấy năng lượng và các chất dinh dưỡng cho sự sinh trưởng, phát triển và vận động. Động vật lấy glucose từ quá trình phần giải thức ăn.

+ Nhờ quá trình hô hấp với sự tham gia của khí oxygen mà các phân tử chất hữu cơ (chủ yếu là glucose) được phân giải thành khí CO₂ và nước, đồng thời tạo ra năng lượng ATP. Thực vật lại bắt đầu hấp thụ năng lượng mặt trời để chuyển khí CO₂ và nước thành phân tử đường hữu cơ.

- Việc phân huy xác các vật sống bị vùi lấp do thiên tai qua hàng triệu năm đã hình thành nguồn năng lượng hóa thạch trên Trái Đất.

II. Năng lượng hóa thạch

1. Nguồn gốc và đặc điểm của năng lượng hóa thạch

a. Nguồn gốc

- Năng lượng hóa thạch được tạo ra từ các nhiên liệu hóa thạch, bao gồm than mỏ, dầu mỏ, khí mỏ dầu và khí thiên nhiên. Nguồn năng lượng này được hình thành từ việc phân huỷ xác các vật sống qua hàng triệu năm. Do đó, năng lượng hóa thạch cũng có nguồn gốc từ Mặt Trời.

b. Đặc điểm

- Có thể sử dụng năng lượng hóa thạch trực tiếp bằng cách đốt cháy nhiên liệu

- Chiếm tỉ lệ cao nhất trong các dạng năng lượng được con người sử dụng hiện nay

- Ưu điểm:

+ Dễ sử dụng, chi phí khai thác và giá thành không quá cao

- Nhược điểm:

+ Cần hàng trăm triệu năm để hình thành, trong khi đó, với mức tiêu thụ như hiện nay thì chỉ khoảng 50 đến 100 năm nữa nguồn nhiên liệu này sẽ cạn kiệt

+ Đốt cháy sẽ sinh ra các chất độc hại và phát thải khí nhà kính quá mức làm Trái Đất nóng lên, gây ra biến đổi khí hậu với quy mô toàn cầu

2. Khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch

Than mỏ

Trước kia, than mỏ được dùng chủ yếu để đun nấu, sưởi ẩm, vận hành động cơ hơi nước, đầu máy xe lửa.

Hiện nay, than mỏ được sử dụng làm nhiên liệu trong công nghiệp nhiệt điện, luyện kim, hoá chất....

Ưu điểm của than mỏ là có trữ lượng lớn, dễ sử dụng, chi phí khai thác và giá thành không quá cao. Hai hình thức khai thác than mỏ phổ biến là lộ thiên và hầm lò.

Hình thức khai thác lộ thiên áp dụng cho những mỏ than nằm gần bề mặt mặt đất. Chi phí khai thác và vận chuyển của hình thức này không cao. Tuy vậy, hiện nay than mỏ chủ yếu được khai thác dưới các hầm lò (hình 13.7) do số lượng than mỏ ở bề mặt ngày càng cạn kiệt. Hình thức khai thác hầm lò yêu cầu áp dụng các công nghệ khai thác với chi phí cao hơn.

Nhược điểm của việc khai thác than mỏ là tạo ra lượng lớn bụi than, nước thải chứa kim loại nặng gây ô nhiễm đất, nước. Khi đốt than mỏ phát thải các loại khí độc như SO₂, CO, NO₂,... và bụi mịn gây ô nhiễm môi trường; gây hại cho phổi, tim và hệ thần kinh của con người.

Dầu mỏ

Dầu mỏ còn được gọi là dầu thô, qua quá trình chế biến tạo ra nhiều nhiên liệu như khí hoá lỏng, xăng, dầu,...

Để khai thác dầu mỏ, đầu tiên phải thăm dò, tìm hiểu vị trí mỏ dầu, sau đó khoan những lỗ khoan xuống mỏ dầu rồi dùng ống dẫn để hút nhiên liệu vào một bể chứa riêng. Một số mỏ dầu nằm trên đất liền và trong đới gần bề mặt nhưng cũng có những mỏ dầu nằm dưới đáy biển. Việc thăm dò và khai thác những mỏ dầu này kéo theo chi phí cao hơn trong đất liền rất nhiều.

Dầu mỏ có ưu điểm là trữ lượng dồi dào, từ dầu thô có thể chế biến ra nhiều loại nhiên liệu và sản phẩm đầu xuất, sử dụng đa dạng trong các ngành khác nhau như giao thông vận tải, nông nghiệp, dược phẩm, dệt may,...

Tuy vậy, việc khai thác, chế biến và sử dụng dầu mỏ có những nhược điểm sau đây:

• Các phương tiện giao thông vận tải sử dụng xăng, dầu đều phát thải khí độc hại như carbon monoxide, hydrocarbon, nitrogen oxide và bụi mịn (hình 13.8)

• Chế biến dầu có thể gây ô nhiễm dầu, phát tán kim loại nặng.

• Thăm dò ngoài khơi và khai thác dầu làm xáo trộn môi trường biển. Những sự cố tràn dầu gây ảnh hưởng nghiêm trọng hệ sinh thái tự nhiên.

Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu

Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu là hỗn hợp chất khí cháy được, thường được tìm thấy ở các mỏ khí hoặc cùng với các mỏ dầu, được sử dụng để làm nhiên liệu.

Để khai thác khí, sau khi thăm dò, tìm vị trí, người ta khoan các giếng khai thác để lấy khí từ mỏ. Các giếng được khoan sâu xuống các tầng đất chứa khí và được kết nối với hệ thống ống dẫn để chuyển khí ra khỏi mỏ. Sau đó, khí được xử lý để đạt được chất lượng và áp suất yêu cầu trước khi được phân phối đến các điểm tiêu thụ khác nhau.

Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu có ưu điểm là hiệu suất cháy cao, khi đốt thải ra ít khí carbon dioxide hơn các loại nhiên liệu hoá thạch khác.

Tuy vậy, quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển, sử dụng khí thiên nhiên và khí mỏ dầu có nhược điểm là phát thải khí độc CO và khí methane – khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh. Khi khí thiên nhiên và khí mỏ dầu bị rò rỉ có thể gây cháy nổ rất nguy hiểm, gây thiệt hại về tài sản và cả tính mạng con người.

Sơ đồ tư duy về “Sử dụng năng lượng”