科學(xué)小常識(shí)：能量與能源

趙泰安

一.能量守恒定律與勢能最小原則 自然界有四大守恒定律：質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒和電量守恒。其中能量守恒定律表述為： 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。 下面按不同形式的能量進(jìn)行分析。 1.機(jī)械能 機(jī)械能：物體動(dòng)能和勢能的總和稱為機(jī)械能。 動(dòng)能 E?=(1/2)mv2 引力勢能 E?＝－G?Mm/r 重力勢能 E?=mgh 彈性勢能 E?=(1/2)kx2 動(dòng)能定理 W=E??-E?? (W為所有力的功)? 動(dòng)能守恒 E??=E?? (上式中W=0) 功能原理 W=(E??+E??)-(E??+E??) (W不含重力的功) 機(jī)械能守恒定律 E??+E??=E??+E?? (上式中W=0)? 下圖為單擺，在不考慮空氣阻力的情況下機(jī)械能守恒。如果小球靜止，它只能停在O的位置，這時(shí)它受到合力為0，離地面最近，勢能最小。 小球從C點(diǎn)向B點(diǎn)擺動(dòng)過程中，如果在C點(diǎn)剪斷擺線，小球做自由落體運(yùn)動(dòng)；如果在從C到O的某處剪斷擺線，小球做斜下拋運(yùn)動(dòng)；如果在O點(diǎn)剪斷擺線，小球做平拋運(yùn)動(dòng)；如果在從O到B的某處剪斷擺線，小球做斜上拋運(yùn)動(dòng)，最后都落到地面，這時(shí)它受到合力為0，離地面距離為0，勢能為0。 小球落到地面以后，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成了內(nèi)能。 要說明一下“勢能”是和“保守力”相關(guān)的能量，重力是保守力，因此有重力勢能；重力是地球和物體之間的吸引力，因此重力勢能也是地球和物體共同的能量。 從以上分析可以看出，在沒有其它約束的情況下，物體總會(huì)落到地面，合力為0，使勢能變得最小。 2.內(nèi)能 原子核內(nèi)質(zhì)子帶正電，核外電子帶負(fù)電，因此由原子組成的分子之間即有引力，又有斥力。 兩分子之間距離為某一值r?時(shí)引力和斥力相等，合力為0；當(dāng)r＜r?時(shí)，引力小于斥力，合力大于0；當(dāng)r＞r?時(shí)，引力大于斥力，合力小于0。 分子都在運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng)，有分子動(dòng)能；分子力是保守力，有分子勢能。 內(nèi)能：物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢能的總和叫做物體的內(nèi)能。 分子勢能隨分子間距離而變化，當(dāng)r=r?時(shí)勢能最小，此時(shí)分子間合力為0。 熱量：某一物理過程中轉(zhuǎn)移的內(nèi) 能稱為熱量。 ⑴物體溫度升高時(shí)需要吸收熱量，內(nèi)能增加，體積變大；溫度降低時(shí)需要放出熱量，內(nèi)能減少，體積縮小。 Q＝Cm△t 比熱容C (J/kg?k) ⑵晶體熔解時(shí)需要吸收熱量，內(nèi)能增加，體積變大；凝固時(shí) 需要放出熱量，內(nèi)能減少，體積縮小。 Q＝λm 熔解熱 λ (J/kg) ⑶液體汽化時(shí)需要吸收熱量，內(nèi)能增加，體積變大；液化時(shí) 需要放出熱量，內(nèi)能減少，體積縮小。 Q＝Lm 氣化熱 L (J/kg) 蒸汽機(jī)就是利用水蒸汽釋放的熱量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能做功的。 從以上分析可以看出，某一系統(tǒng)的物質(zhì)在外界溫度很低的情況下，它會(huì)由氣體變成液體，再變成固體，繼續(xù)“冷縮”，直到分子間距離變成r?，分子力的合力為0；這一過程不斷向外釋放能量，達(dá)到勢能最小。 熱力學(xué)第一定律：在任何孤立的物質(zhì)系統(tǒng)中，不論發(fā)生任何變化，不論能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一部分物質(zhì)傳遞給另一部分物質(zhì)，系統(tǒng)的總能量守恒。這是包含內(nèi)能在內(nèi)的能量守恒定律。 △E＝W＋Q 3.鍵能 鍵能：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(101.3 kPa、298 K)下，將1 mol氣態(tài)分子完全解離為氣態(tài)原子所需的能量平均值稱為鍵能，單位為kJ/mol。? 對(duì)于雙原子分子?：鍵能等于鍵的解離能，可直接通過實(shí)驗(yàn)測定，例如H-H 鍵能為436 kJ/mol；對(duì)于多原子分子?，鍵能是分子中所有同類鍵解離能的平均值，例如NH?分子中三個(gè)N-H鍵解離能的平均值為391 kJ/mol。 鍵長越短，鍵能通常越大，例如C≡C鍵能＞C=C鍵能＞C-C鍵能。 鍵能越大，成鍵時(shí)釋放的能量越多，分子越穩(wěn)定。例如 H-F鍵能 565 kJ/mol，高于H-Cl鍵能 431 kJ/mol，因此HF比HCl更穩(wěn)定。 原子通過化學(xué)鍵結(jié)合成分子，向外釋放能量，大小等于鍵能的負(fù)值，這個(gè)鍵能的負(fù)值可以理解為成鍵原子的“勢能”。成鍵前“勢能”為0，成鍵后“勢能”為負(fù)，說明“勢能”減少了。 從上面分析可以看出，原子結(jié)合成分子時(shí)，原子間距離越小，鍵長越短，鍵能越大，“勢能”越小，越穩(wěn)定。 原子結(jié)合成分子時(shí)要釋放能量，這個(gè)能量是哪來的？這就需要到量子力學(xué)里找答案。根據(jù)量子力學(xué)，質(zhì)量和能量是物質(zhì)的兩個(gè)屬性，他們通過質(zhì)能方程相聯(lián)系。 質(zhì)能方程：E=mc2 △E=△mc2 原子的質(zhì)量相加大于分子的質(zhì)量，這個(gè)差值△m稱為“質(zhì)量虧損”，它所對(duì) 應(yīng) 的△E就是放出的能量。就是說原子結(jié)合成分子時(shí)，能量減少了，減少的部分以熱量的形式傳給了其它物體，總能量不變；質(zhì)量減少了，加上熱量帶走的那部分質(zhì)量，總質(zhì)量不變，能量守恒和質(zhì)量守恒仍然成立。 焓：內(nèi)能與壓強(qiáng)和體積的乘積之和稱為物體的焓，常用符號(hào)H表示：H=U+pV。在化學(xué)反應(yīng)中，焓的變化 △H＞0代表吸熱，△H＜0代表放熱，Ⅰ△HⅠ=Q(反應(yīng)熱)。這個(gè)焓的差值通常稱為化學(xué)能。焓的變化與鍵能的關(guān)系為： ΔH≈∑E?(反應(yīng)物鍵能)?∑E?(生成物鍵能)?例如：計(jì)算H?(g) + Cl?(g) → 2HCl(g)的ΔH H-H: 436 kJ/mol, Cl-Cl: 243 kJ/mol, H-Cl: 431 kJ/mol ΔH=436+243-2×431=-183 放熱 在化學(xué)反應(yīng)中，與氧氣的化合反應(yīng)多是放熱反應(yīng)，比如C+O?=CO?；分解反應(yīng)多為吸熱反應(yīng)，比如2H?O=2H?+O?(電解)。 燃燒放熱 Q＝qm 燃燒值 q (J/kg) 4.能級(jí) 電子在原子核外運(yùn)動(dòng)時(shí)只能處于特定能量狀態(tài)，這些離散的能量值稱為能級(jí)。? 核外電子按能量差異分n層，用K、L、M、N、O、P、Q表示，能量隨序數(shù)n增加而升高，如 E(K) < E(L) < E(M)＜E(N) < E(O) < E(P)< E(Q)。? 同一能層內(nèi)電子能量進(jìn)一步細(xì)分，如n能層的能級(jí)按能量遞增為ns、np、nd、nf每層能級(jí)數(shù)等于能層序數(shù)，比如第三能層有3個(gè)能級(jí)：3s、3p、3d。? 核外電子排布滿足下列規(guī)則?：? ⑴能量最低原理?：電子優(yōu)先占據(jù)低能級(jí)軌道。? ⑵泡利不相容原理?：每個(gè)軌道最多容納2個(gè)自旋相反的電子。? ⑶洪特規(guī)則?：電子優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)同能級(jí)軌道且自旋相同，全滿、半滿或全空時(shí)體系更穩(wěn)定。 電子在低能級(jí)軌道時(shí)稱為基態(tài)，此時(shí)最穩(wěn)定；電子從外界吸收的能量如果剛好等于某高能級(jí)與基態(tài)能級(jí)的能量差，則會(huì)躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上，此時(shí)稱為激發(fā)態(tài)，很快又會(huì)躍遷回基態(tài)，以光子的形式釋放相應(yīng)的能量。 E＝hγ＝E?－E? 能級(jí)是電子與原子核共有的能量，如果把它也稱為“勢能”，也滿足電子與原子核近的時(shí)候“勢能”最小，且最穩(wěn)定。 　　電離能：原子或正離子失去一個(gè)電子所需的能量，稱為電離能；由氣態(tài)原子失去一個(gè)電子，形成氣態(tài) 1 價(jià)正離子所需的能量，稱為第一電離能。 電離能是電子從它的基態(tài)能級(jí)躍遷到最高能級(jí)(∞)時(shí)所需的能量；當(dāng)電子與離子結(jié)合，重新回到基態(tài)時(shí)會(huì)釋放相同的能量。 5.原子核的結(jié)合能 原子核的結(jié)合能是將原子核分解為單個(gè)核子所需吸收的能量，或核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量。 平均結(jié)合能是結(jié)合能除以核子數(shù)，表示每個(gè)核子的平均結(jié)合能量。中等核子數(shù)的原子核平均結(jié)合能最大。因此輕核聚變和重核裂變都可以釋放能量。 地球與物體之間的引力勢能(將重力勢能0點(diǎn)選在無窮遠(yuǎn)處)、分子間的分子勢能、原子間的鍵能的負(fù)值、原子核和電子間的能級(jí)及電離能、核子間的結(jié)合能的負(fù)值都是一類的能量，表現(xiàn)形式都是負(fù)值，就是說它們分散時(shí)能量為0，聚合時(shí)放出能量，再分散吸收能量。 　　核能是通過核反應(yīng)從原子核釋放的能量。 根據(jù)質(zhì)能方程 E=mc2 △E=△mc2 核能可通過三種核反應(yīng)之一釋放： ⑴核裂變，較重的原子核分裂釋放結(jié)核能； ⑵核聚變，較輕的原子核聚合在一起釋放結(jié)核能； ⑶核衰變，原子核自發(fā)衰變過程中釋放能量。 人們直接利用的能量是物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，化學(xué)反放的化學(xué)能，電子運(yùn)動(dòng)的電能，能級(jí)躍遷的輻射能(光能)，核反應(yīng)的核能。 6.恒星演化過程中的能量 太陽是和宇宙中眾多的天體一樣，被稱為主序星，它的組成元素主要是H、He等，發(fā)生H聚合成He的核反應(yīng)，向外輻射能量，向外的輻射壓力與向內(nèi)的引力相平衡。 當(dāng)H全部變成He以后，平衡打破，恒星內(nèi)層向中心塌陷，溫度壓力升高，開始了He的聚合，繼續(xù)向外輻射能量，恒星外層向外膨脹，形成紅巨星。 當(dāng)恒星聚合反應(yīng)到達(dá)鐵原素時(shí)，原子再聚成大原子就要吸收熱量，恒星溫度下降，原子從離子態(tài)轉(zhuǎn)為原子分子態(tài)，被稱為白矮星。由于恒星溫度下降，體積收縮，中心壓力增大，原子的電子殼層崩潰塌縮，電子被壓入原子核，與質(zhì)子結(jié)合形成中子，同時(shí)放出大量的能量。 白矮星不再發(fā)光時(shí)，所有的電子都被壓入了原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合形成中子，此時(shí)整個(gè)星體就只有中子了，被稱為中子星。中子也是有殼層結(jié)構(gòu)的粒子，它的殼層是由強(qiáng)相互作用力支持的，比電子的電磁殼層要強(qiáng)硬的多，抗壓強(qiáng)度是電子殼層的數(shù)億倍以上，中子星比白矮星密度還要大得多，中子星沒有了能量來源，自身沒有光可發(fā)，較大質(zhì)量的中子星由于中子殼層質(zhì)能鎖定強(qiáng)剛性，不會(huì)再向內(nèi)塌縮。 一般在星系中心，大量的恒星、白矮星、中子星被吸集在一起形成超級(jí)天體，不發(fā)光不發(fā)熱，稱為黑洞。 當(dāng)黑洞的質(zhì)量足夠大時(shí)，內(nèi)部壓力超過中子結(jié)構(gòu)的抗壓力時(shí)，中子結(jié)構(gòu)被破壞，其中心的正電子的保護(hù)結(jié)構(gòu)瓦解，正、負(fù)電子相互湮滅，夸克等一切結(jié)構(gòu)都被瓦解，中子將發(fā)生最徹底的質(zhì)能反應(yīng)，將中子全部質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，形成黑洞大瀑發(fā)，稱為類星體。 這是星系發(fā)展的最后幾段，放出前所未有的巨大能量，照亮整個(gè)宇宙“視界”。再往下怎么發(fā)展？現(xiàn)在只能說去問上帝吧。 二.能源 能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源。 能源亦稱能量資源或能源資源。是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機(jī)械能等）或可作功的物質(zhì)的統(tǒng)稱。是指能夠直接取得或者通過加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源，包括煤炭、原油、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等一次能源和電力、熱力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。 能夠直接用于生產(chǎn)生活、不排放污染物的能源稱為清潔能源或綠色能源，它包括核能和“可再生能源”。 　　人們很早就利用風(fēng)能，發(fā)明了帆船。 　　風(fēng)能發(fā)電。 　　水力發(fā)電是用堤壩將水的勢能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，再通過水輪機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為電能。 　　利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。 　　火力發(fā)電是將煤、石油等燃料的化學(xué)能通過燃燒，產(chǎn)生熱，將水變成蒸汽，推動(dòng)蒸汽機(jī)或蒸汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。 　　核電站。

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