物理學(xué)—能

2023年12月5日發(fā)(作者：運(yùn)營(yíng)管理部)

-

物理學(xué)——能

一、機(jī)械能

機(jī)械能表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與高度的物理量，是動(dòng)能與部分勢(shì)能的總和，這里的勢(shì)能分為重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能。決定動(dòng)能的是質(zhì)量與速度；決定重力勢(shì)能的是高度和質(zhì)量；決定彈性勢(shì)能的是勁度系數(shù)與形變量。動(dòng)能與勢(shì)能可相互轉(zhuǎn)化。

機(jī)械能守恒：在不計(jì)摩擦和介質(zhì)助力的情況下物體只發(fā)生動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化且機(jī)械能的總量保持不變，也就是動(dòng)能的增加或減少等于勢(shì)能的減少或增加。

機(jī)械能與整個(gè)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。當(dāng)有摩擦?xí)r，一部分的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，在空氣中散失，另一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能或勢(shì)能。所以在自然界中沒有機(jī)械能能守恒，那么達(dá)芬奇提出的永動(dòng)機(jī)就不可能被制造出來（不消耗能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器，它違反了能量守恒定律，故稱為“第一類永動(dòng)機(jī)”。在沒有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器，它違反了熱力學(xué)第二定律，故稱為“第二類永動(dòng)機(jī)”）。

二、動(dòng)能

物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能叫做動(dòng)能，一切運(yùn)動(dòng)的物體都具有動(dòng)能。動(dòng)能的單位 為J（焦耳）。決定動(dòng)能大小的因素是物體的質(zhì)量和速度。

動(dòng)能計(jì)算公式E=1/2mv2（E：動(dòng)能，單位-焦耳；m：質(zhì)量；v：速度）

風(fēng)吹著帆船航行，空氣對(duì)帆船做了功；急流的河水把石頭沖走，水對(duì)石頭做了功；運(yùn)動(dòng)著的鋼球打在木塊上，把木塊推走，鋼球?qū)δ緣K做了功。流動(dòng)的空氣和水，運(yùn)動(dòng)的鋼球，它們能夠做功，它們都具有能量?？諝狻⑺撉蚴怯捎谶\(yùn)動(dòng)而能夠做功的，它們具有的能量叫做動(dòng)能。一切運(yùn)動(dòng)的物體都具有動(dòng)能。

三、勢(shì)能（位能）

物體由于具有做功的形勢(shì)而具有的能叫勢(shì)能。它是儲(chǔ)存于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的能量，也可以釋放或者轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如動(dòng)能由于各物體間存在相互作用而具有的、由各物體間相對(duì)位置決定的能叫勢(shì)能，又稱作位能，勢(shì)能是狀態(tài)量（狀態(tài)量是描述物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，如：位置、速度、動(dòng)量、動(dòng)能、角速度、角動(dòng)量、壓強(qiáng)、溫度、體積等等都是狀態(tài)量．物質(zhì)系統(tǒng)在外界作用下，它的狀態(tài)將隨時(shí)間而發(fā)生變化，描述該系統(tǒng)狀態(tài)量也隨時(shí)間而發(fā)生變化），亦稱“位能”。由相互作用的物體之間的相對(duì)位置，或由物體內(nèi)部各部分之間的相對(duì)位置所確定的能叫做“勢(shì)能”。按作用性質(zhì)的不同，可以分為引力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、分子勢(shì)能、電勢(shì)能和核勢(shì)能等。力學(xué)中勢(shì)能有引力勢(shì)能、重力

1 勢(shì)能和彈力勢(shì)能。勢(shì)能不是屬于單獨(dú)物體所具有的，而是相互作用的物體所共有。

動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，如石頭下落過程，勢(shì)能減小動(dòng)能增加。

【做功：能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種的形式的過程。做功的兩個(gè)必要因素：作用在物體上的力和物體在力的方向上通過的距離。經(jīng)典力學(xué)的定義：當(dāng)一個(gè)力作用在物體上，并使物體在力的方向上通過了一段距離，力學(xué)中就說這個(gè)力對(duì)物體做了功。】

人們?cè)诖驑稌r(shí)，先把重錘高高舉起，重錘落下就能把木樁打入地里。重錘是由于被舉高而能夠做功的，舉高的物體具有的能量叫重力勢(shì)能。物體的質(zhì)量越大，舉得越高，它具有的重力勢(shì)能就越大。被舉高的重錘具有重力勢(shì)能。重錘的質(zhì)量越大，被舉得越高，下落時(shí)做的功越多，表示重錘的重力勢(shì)能越大。

射箭運(yùn)動(dòng)員把弓拉彎，放手后被拉彎的弓能把箭射出去．被壓縮的彈簧在放松后能把壓在上面的砝碼舉起。弓和彈簧都是由于發(fā)生彈性形變而能夠做功的，發(fā)生彈性形變的物體具有的能量叫彈性勢(shì)能．物體的彈性形變?cè)酱?，它具有的彈性?shì)能就越大。

動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。一個(gè)物體可以既有動(dòng)能，又有勢(shì)能，例如，飛行中的飛機(jī)因?yàn)樗谶\(yùn)動(dòng)而具有動(dòng)能，又因?yàn)樗诟咛幎哂兄亓?shì)能，把這兩種能量加在一起，就得到它的總機(jī)械能。機(jī)械能是最常見的一種形式的能量。

一個(gè)物體能夠做的功越多，表示這個(gè)物體的能量越大，因此，能量的大小可以用做功的多少來衡量。動(dòng)能、勢(shì)能或機(jī)械能的單位跟功的單位相同，也是焦耳。例如，在空中飛行的一個(gè)球的重力勢(shì)能是5 焦，動(dòng)能是4 焦，球的機(jī)械能則為9 焦。

物體受到外力作用而發(fā)生的形狀變化，叫做形變。如果外力撤消，物體能恢復(fù)原狀，這種形變叫做彈性形變。

四、熱能

熱能(thermal energy)又稱熱量、能量等，它是生命的能源。人的每天勞務(wù)活動(dòng)、體育運(yùn)動(dòng)、上課學(xué)習(xí)和從事其他一切活動(dòng)，以及人體維持正常體溫、各種生理活動(dòng)都要消耗能量。就像蒸汽機(jī)需要燒煤、內(nèi)燃機(jī)需要用汽油、電動(dòng)機(jī)需要用電一樣。

人體的熱能來源于每天所吃的食物，但食物中不是所有營(yíng)養(yǎng)素都能產(chǎn)生熱能的，只有碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)這三大營(yíng)養(yǎng)素會(huì)產(chǎn)生熱能。

每克碳水化合物在體內(nèi)氧化時(shí)產(chǎn)生的熱能為16.74千焦耳（4千卡），脂肪每克為37.66千焦耳（9千卡），蛋白質(zhì)每克為16.74千焦耳（4千卡）——千卡：熱能的單位。

焦耳與千卡的單位換算：千卡常指能使1升水升高1攝氏度所需的熱量，就相當(dāng)于4.184千焦耳的熱能。單位換算如下：1千卡=4.184千焦耳 1千焦耳=0.239千卡（卡是卡路里的簡(jiǎn)稱，由英文Calorie音譯而來，縮寫為cal）。

熱能與內(nèi)能區(qū)別：從分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)看，熱能的本質(zhì)是物體內(nèi)部所有分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)

2 能之和，而內(nèi)能除包括物體內(nèi)部所有分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能之外，還包括分子間勢(shì)能的總和，以及組成分子的原子內(nèi)部的能量、原子核內(nèi)部的能量、物體內(nèi)部空間的電磁輻射能等。但在一般熱現(xiàn)象中，不涉及分子結(jié)構(gòu)和原子核的變化，并且無電磁場(chǎng)相互作用，化學(xué)能、原子能以及電磁輻射能都為常數(shù)。因?yàn)槿藗兺ǔＱ芯康氖悄芰恐?，所以，這幾種內(nèi)能通常不考慮。因此，內(nèi)能通常是指物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子間勢(shì)能的總和。可見，熱能只是內(nèi)能中的一部分，把熱能與內(nèi)能等同起來是錯(cuò)誤的。

五、其他能及其關(guān)系

電能指電以各種形式做功的能力。有直流電能、交流電能、高頻電能等，這幾種電能均可相互轉(zhuǎn)換（電能一般通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）。

光能以可見輻射的形式轉(zhuǎn)換而來或轉(zhuǎn)換成可見輻射形式的能量（光能轉(zhuǎn)化成熱能或者電能是目前利用太陽能的主要途徑）。

化學(xué)能是物體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)所釋放的能量，是一種很隱蔽的能量，它不能直接用來做功，只有在發(fā)生化學(xué)變化的時(shí)候才釋放出來，變成熱能或者其他形式的能量。像石油和煤的燃燒，炸藥爆炸以及人吃的食物在體內(nèi)發(fā)生化學(xué)變化時(shí)候所放出的能量，都屬于化學(xué)能?；瘜W(xué)能是指化合物的能量，根據(jù)能量恒定律，這種能量的變化與反應(yīng)中熱能的變化是大小相等、符號(hào)相反，參加反應(yīng)的化合物中各原子重新排列而產(chǎn)生新的化合物時(shí)，將導(dǎo)致化學(xué)能的變化，產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)。

熱能基本上就是內(nèi)能。熱能增加，就吸收熱量；熱能減少，就放出熱量。內(nèi)能也會(huì)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。如汽油機(jī)、柴油機(jī)在工作過程中，氣缸中的燃?xì)馀蛎洠苿?dòng)活塞做功，燃?xì)獾膬?nèi)能減少，活塞的動(dòng)能增加。再如，水壺中的水燒開后，水蒸氣推動(dòng)蓋子做功，水蒸氣的內(nèi)能減少，轉(zhuǎn)化為蓋子的機(jī)械能。

核能（或稱原子能）是通過轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量。核能通過三種核反應(yīng)方式釋放：（1）核裂變（核分裂），是指由重的原子主要是指鈾或钚，分裂成較輕的原子的一種核反應(yīng)形式。原子彈以及裂變核電站的能量來源都是核裂變。（2）核聚變，是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘（dāo）或氚（chuān），在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大能量釋放的一種核反應(yīng)形式，如氫彈、太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。（3）核衰變：是原子核自發(fā)射出某種粒子而變?yōu)榱硪环N核的過程，衰變產(chǎn)生的射線，放射性的類型除了主要放射α、β、γ粒子（即α、β、γ射線）以外，還有放射正電子、質(zhì)子、中子、中微子等粒子以及自發(fā)裂變、β緩發(fā)粒子等等。

3

-