物理学—能

物理学——能

一、机械能

机械能表示物体运动状态与高度的物理量，是动能与部分势能的总和，这里的势能分为重力势能和弹性势能。决定动能的是质量与速度；决定重力势能的是高度和质量；决定弹性势能的是劲度系数与形变量。动能与势能可相互转化。

机械能守恒：在不计摩擦和介质助力的情况下物体只发生动能和势能的相互转化且机械能的总量保持不变，也就是动能的增加或减少等于势能的减少或增加。

机械能与整个物体的机械运动情况有关。当有摩擦时，一部分的机械能转化为热能，在空气中散失，另一部分转化为动能或势能。所以在自然界中没有机械能能守恒，那么达芬奇提出的永动机就不可能被制造出来（不消耗能量而能永远对外做功的机器，它违反了能量守恒定律，故称为“第一类永动机”。在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，它违反了热力学第二定律，故称为“第二类永动机”）。

二、动能

物体由于运动而具有的能叫做动能，一切运动的物体都具有动能。动能的单位为J（焦耳）。决定动能大小的因素是物体的质量和速度。

动能计算公式E=1/2mv2（E：动能，单位-焦耳；m：质量；v：速度）

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。空气、水、钢球是由于运动而能够做功的，它们具有的能量叫做动能。一切运动的物体都具有动能。

三、势能（位能）

物体由于具有做功的形势而具有的能叫势能。它是储存于一个系统内的能量，也可以释放或者转化为其他形式的能量，如动能由于各物体间存在相互作用而具有的、由各物体间相对位置决定的能叫势能，又称作位能，势能是状态量（状态量是描述物质系统状态的物理量，如：位置、速度、动量、动能、角速度、角动量、压强、温度、体积等等都是状态量．物质系统在外界作用下，它的状态将随时间而发生变化，描述该系统状态量也随时间而发生变化），亦称“位能”。由相互作用的物体之间的相对位置，或由物体内部各部分之间的相对位置所确定的能叫做“势能”。按作用性质的不同，可以分为引力势能、弹性势能、分子势能、电势能和核势能等。力学中势能有引力势能、重力

势能和弹力势能。势能不是属于单独物体所具有的，而是相互作用的物体所共有。

动能和势能可以相互转化，如石头下落过程，势能减小动能增加。

【做功：能量由一种形式转化为另一种的形式的过程。做功的两个必要因素：作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。经典力学的定义：当一个力作用在物体上，并使物体在力的方向上通过了一段距离，力学中就说这个力对物体做了功。】人们在打桩时，先把重锤高高举起，重锤落下就能把木桩打入地里。重锤是由于被举高而能够做功的，举高的物体具有的能量叫重力势能。物体的质量越大，举得越高，它具有的重力势能就越大。被举高的重锤具有重力势能。重锤的质量越大，被举得越高，下落时做的功越多，表示重锤的重力势能越大。

射箭运动员把弓拉弯，放手后被拉弯的弓能把箭射出去．被压缩的弹簧在放松后能把压在上面的砝码举起。弓和弹簧都是由于发生弹性形变而能够做功的，发生弹性形变的物体具有的能量叫弹性势能．物体的弹性形变越大，它具有的弹性势能就越大。

动能和势能统称为机械能。一个物体可以既有动能，又有势能，例如，飞行中的飞机因为它在运动而具有动能，又因为它在高处而具有重力势能，把这两种能量加在一起，就得到它的总机械能。机械能是最常见的一种形式的能量。

一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大，因此，能量的大小可以用做功的多少来衡量。动能、势能或机械能的单位跟功的单位相同，也是焦耳。例如，在空中飞行的一个球的重力势能是5 焦，动能是4 焦，球的机械能则为9 焦。

物体受到外力作用而发生的形状变化，叫做形变。如果外力撤消，物体能恢复原状，这种形变叫做弹性形变。

四、热能

热能(thermal energy)又称热量、能量等，它是生命的能源。人的每天劳务活动、体育运动、上课学习和从事其他一切活动，以及人体维持正常体温、各种生理活动都要消耗能量。就像蒸汽机需要烧煤、内燃机需要用汽油、电动机需要用电一样。

人体的热能来源于每天所吃的食物，但食物中不是所有营养素都能产生热能的，只有碳水化合物、脂肪、蛋白质这三大营养素会产生热能。

每克碳水化合物在体内氧化时产生的热能为16.74千焦耳（4千卡），脂肪每克为37.66千焦耳（9千卡），蛋白质每克为16.74千焦耳（4千卡）——千卡：热能的单位。

焦耳与千卡的单位换算：千卡常指能使1升水升高1摄氏度所需的热量，就相当于4.184千焦耳的热能。单位换算如下：1千卡=4.184千焦耳 1千焦耳=0.239千卡（卡是卡路里的简称，由英文Calorie音译而来，缩写为cal）。

热能与内能区别：从分子运动论观点看，热能的本质是物体内部所有分子无规则运动的动

能之和，而内能除包括物体内部所有分子无规则运动的动能之外，还包括分子间势能的总和，以及组成分子的原子内部的能量、原子核内部的能量、物体内部空间的电磁辐射能等。但在一般热现象中，不涉及分子结构和原子核的变化，并且无电磁场相互作用，化学能、原子能以及电磁辐射能都为常数。因为人们通常研究的是能量之差，所以，这几种内能通常不考虑。因此，内能通常是指物体内部分子无规则运动的动能与分子间势能的总和。可见，热能只是内能中的一部分，把热能与内能等同起来是错误的。

五、其他能及其关系

电能指电以各种形式做功的能力。有直流电能、交流电能、高频电能等，这几种电能均可相互转换（电能一般通过电动机转化为机械能）。

光能以可见辐射的形式转换而来或转换成可见辐射形式的能量（光能转化成热能或者电能是目前利用太阳能的主要途径）。

化学能是物体发生化学反应时所释放的能量，是一种很隐蔽的能量，它不能直接用来做功，只有在发生化学变化的时候才释放出来，变成热能或者其他形式的能量。像石油和煤的燃烧，炸药爆炸以及人吃的食物在体内发生化学变化时候所放出的能量，都属于化学能。化学能是指化合物的能量，根据能量恒定律，这种能量的变化与反应中热能的变化是大小相等、符号相反，参加反应的化合物中各原子重新排列而产生新的化合物时，将导致化学能的变化，产生放热或吸热效应。

热能基本上就是内能。热能增加，就吸收热量；热能减少，就放出热量。内能也会转化为机械能。如汽油机、柴油机在工作过程中，气缸中的燃气膨胀，推动活塞做功，燃气的内能减少，活塞的动能增加。再如，水壶中的水烧开后，水蒸气推动盖子做功，水蒸气的内能减少，转化为盖子的机械能。

核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量。核能通过三种核反应方式释放：（1）核裂变（核分裂），是指由重的原子主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站的能量来源都是核裂变。（2）核聚变，是指由质量小的原子，主要是指氘（dāo）或氚（chuān），在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大能量释放的一种核反应形式，如氢弹、太阳发光发热的能量来源。（3）核衰变：是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程，衰变产生的射线，放射性的类型除了主要放射α、β、γ粒子（即α、β、γ射线）以外，还有放射正电子、质子、中子、中微子等粒子以及自发裂变、β缓发粒子等等。