6.能量与能量转换

能量是一种看不见摸不着你却一直能感觉得到的神奇东西，至今为止没有任何人提取或发现它的真实面貌，但能量又是客观存在的。能量具有能够使物体“工作”或运动的本领。任何东西只要有移动、发热、冷却、生长、变化、发光或发声的现象，其中就有能量在起作用。通常我们所说的热能、电能、机械能都是能量的表现形式。

能量的英文“energy”一字源于希腊语ένέργεια，该字首次出现在公元前4世纪亚里士多德的作品中。伽利略时代已出现了“能量”的思想，但还没有“能”这一术语。19世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。直到19世纪中期，热力学第一定律即能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。物理学上将能量定义为：能量即物体（或系统）对外做功的能力，简称“能”。

自然界中存在着各种形式的物质运动，如机械运动、分子热运动、电磁运动等，每一种运动都有一种能跟它对应，因此具有各种形式的能。跟机械运动对应的是机械能，跟分子热运动对应的是内能。此外，跟其他运动形式对应的还有电能、光能、化学能和核能等等。

机械能是动能与势能的总和。动能是物体由于做机械运动而具有的能，能对其他物体做功。如风吹着帆船航行，空气对帆船做了功；急流的河水把石头冲走，水对石头做了功；运动着的钢球打在木块上，把木块推走，钢球对木块做了功。流动的空气和水，运动的钢球，它们能够做功，它们都具有能量。势能是指物体（或系统）由于位置或位形而具有的能。例如，举到高处的打桩机重锤具有势能，故下落时能使它的动能增加并对外界做功，把桩打入土中；张开的弓具有势能，故在释放能时对箭做功，将它射向目标。

化学能是由于物质之间发生化学反应，物质的分子结构变化而产生的能量。例如：木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光和热，就来源于木材里储存的化学能。

热能是物质内部原子分子热运动的动能，温度愈高的物质所包含的热能愈大。热机是膨胀的水蒸气把它的热能变成了热机的动能。

核能是由于核反应，物质的原子结构发生变化而产生的能量。例如：原子弹、氢弹爆炸时释放的能量就来源于原子核反应。

各种能都能够做功。例如：蒸汽和燃烧气体的内能可以通过蒸汽机、内燃机等热力发动机来做功。做功的过程实际上是能的转化过程。当巨大的列车缓缓起动的时候，内能就逐渐地转化为机械能；转动的车轮由于摩擦生热，一部分机械能又转化为内能。

其实，各种形式的能量都可以互相转化（图1-8）。自然界中，同一能量不但可以从一个物体转移到另一个物体，而且不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。例如拍球，能量从人体（肌肉）的化学能转移到球，使之成为球的动能，球的动能又转化成弹性势能，弹性势能又转化成动能和重力势能，只有靠这些能量的转移、转化才能够完成拍球这一过程。太阳能热水器是利用太阳能转换成热能给水加热。太阳能电池发电是利用太阳能转换成电能。电水壶是将电能通过电热管转换为热能，水吸收热能而被烧开。

水能属于太阳能资源，在水循环过程中，海水吸收太阳能，受热蒸发为水蒸气，上升到高空，具有了势能，水汽输送到陆地上空，形成降水，水往低处流，流动过程中，势能逐渐转化为动能，可以用于发电。

电能转化热能：电能转化热能一般通过热电阻或热辐射，例如家用的电热炉，是在热阻丝内通过大量电流使热阻丝产生大量热能，通过热辐射传导给周围环境。也可以通过微波装置，使电能转化成微波，通过直接的热辐射转为热能。

热能转化电能：至今为止，人类还没想出很有效率的方法可以让热能直接转化为电能，似乎人类只发明了电能和机械能转化的装置，所以如果想任何形式能量转换为电能，必须先转换为机械能。但是，有的物质如陶瓷等，在温度变化时可以产生电势差，进而产生微弱电能，但到目前为止还无法用于发电。

机械能转化电能：在水力发电站中，水流冲动水轮机带动发电机发电，水流的机械能又转化为电能。

光能转化电能：可以通过光电效应使光照射在金属表面而辐射出电子，通过这种方法，人类设计了太阳能板，太阳能板是通过阳光照射硅晶体的PN结产生空穴电压把光能转化成电能的。光能转化电能是相对比较有效的转换方式，并且随着不可再生能源的枯竭，人类越来越重视可再生清洁能源的应用，光能就是最受关注的清洁能源之一。

化学能转化电能：将化学能转化成电能的装置为化学电池，在电池内部通过电化学反应把正极、负极活性物质的化学能转化为电能。其工作原理是内电路（电解质溶液）中阴离子移向负极，阳离子移向正极，外电路中的电子由负极移向正极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。如干电池和蓄电池电是化学能转变成电能；给电池充电则是电能转变成化学能。

电能转化机械能：借助电磁感应效应，人类设计了电机，可以使电能轻松转化为机械能。在电机中，电能和机械能可以互逆转换。

化学能转化热能：化学反应常伴随着能量的变化，化学反应的过程可以看成是能量的“贮存”或“释放”过程。如可燃物的燃烧，伴随着光能的同时也产生大量热能。

热能转化机械能：至今人类想到的最好方法，通过加热，使水变成水蒸气，水蒸气推动活塞做功，这就是热能转换成机械能。自从瓦特发明蒸汽机以来，人类一直沿用这个方法进行转换。

机械能转化热能：机械做功摩擦可以产生热能，在摩擦过程中，原子、分子相互撞击，振动加剧，从而导致温度升高，这个过程中，机械能直接转化为热能。机械能转化热能的效率一般不高，而且在实际应用中无法通过这样的转化大量提供热能，只作为机械能的能量损耗而已。

光能转化热能：光子具有动能，与物质的分子碰撞后，将动能转移到分子上，于是分子动能升高—也就是发热。不同的光的能量不一样，频率越高能量越高。

光能转化化学能：如植物吸收太阳光进行光合作用是地球上生命所需能量的直接或间接地来源，是将光能转化为稳定的化学能过程。

光能转化机械能：如太阳帆（Solar sails）。太阳帆是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。

科学工作者经过长期的探索，发现自然界的各种现象不是孤立的，而是互相联系的。用能量的观点可以反映这种联系。大量事实证明，任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，能的总量是保持不变的。能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变。这就是能量守恒定律。

能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。大到天体，小到原子核，也无论是物理学的问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都服从能量守恒定律。能量守恒定律是人类认识自然、利用自然、保护自然的有力武器。