第十二章 第二节 能量的转化

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 12-10 蒸汽机车将内能转化为机械能

 

各种形式的能量可以相互转化。如图 12-10 所示是一辆行驶中的蒸汽机车，燃料燃烧将化学能转化为内能，蒸汽机再将内能转化为机械能。在吸热化学反应中，内能转化为化学能；在发电机和电动机中，电能和机械能相互转化；照明灯发光时，电能转化为光能；电池充放电时，化学能和电能相互转化。利用能源本质上就是利用能量的转化过程。

 

在学习机械能守恒定律时我们知道，在只有重力和弹力做功的情况下物体的动能和势能可以相互转化，而两者之和即总机械能保持不变。人们根据积累的经验和大量的生产实践、科学实验发现，不只是机械能守恒，在任何能量转化过程中能量的总量都不变。这就是能量守恒定律（law of conservation of energy）：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失；

 

只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，或者从物体的一部分转移到其他部分；在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。人们曾经认为互不相关的各种现象，如力学的、热学的、电磁学的、光学的、化学的、生物学的……都能通过能量守恒定律联系起来，把表面上不同的各类运动统一在同一个自然规律之中。恩格斯把能量守恒定律与细胞学说、生物进化论一起列为 19 世纪的三大发现。能量守恒定律是自然界中最普遍的规律之一，一切现象都遵循这一定律。直到现在，能量守恒定律仍然是我们研究自然科学强有力的工具。

 

人死不能复生、破镜不能重圆，覆水难收、落叶归根……这些事实和成语都反映了一个道理——实际过程具有“单向性”或“不可逆性”（图 12-12）。而且，这是另外一条重要的物理规律的表现。

（a）从桌上落下摔碎的杯子         （b）碎片自发地重新集合         （c）完整的水杯自动返回桌面

图 12-12 如图所示的过程不会发生

 

下面我们通过简单的例子来考察“单向性”的含义。

烧开的水放在空气中会逐渐冷却，最终温度与室温相同。谁也没有见过这样的现象：热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的帮助，也没有对外界产生任何影响。这说明热传递过程具有单向性，只能自发地从高温物体传向低温物体。

自由膨胀和扩散现象也具有单向不可逆性。如图 12-13 所示，隔板将气室隔成两部分；左边有气体，右边为真空。抽去隔板，气体会自发地向真空区域膨胀，最终均匀地分布于整个容器。但我们从未观察到相应的逆过程：气体自发地缩回容器的一边。又如图 12-14 所示，两种不同的气体可以自发地混入对方，最后形成均匀混合气体，但是绝不会发生相反的现象：两种气体均匀混合后又自发地各自分开回到原处。

 

图 12-13 自由膨胀过程

 

图 12-14 扩散过程

能量转化的方向性是指内能和其他形式的能量（如电能、机械能等）的相互转化具有方向性。电能和机械能可以无条件地（自发地）转化为内能，而内能不可无条件地转化为电能和机械能。

秋千在来回摆动许多次后总会停下来，它通过克服阻力做功而使其机械能转化为内能。同样，我们也从未观察到相应的逆过程：传到空气中的这部分内能重新自发地转变为机械能而使秋千恢复摆动。

热传递、气体自由膨胀、分子扩散、摩擦生热……这些现象的逆过程并不违反能量守恒定律，却从未能自发地发生。大量事实表明，自然界中的一切实际变化都具有方向性。朝某个方向的变化是可以自发发生的，相反方向的变化却是受到限制的。如果要使变化了的事物重新恢复到原来的状态，一定要外界施加影响，或者对外界产生影响，这就是自然过程的不可逆性。

在自然界发生的种种变化中，能量的总值虽然保持不变（守恒），但是能量可被利用的价值却越来越小，也就是说能量是在退降。

对于人类来说，既需要内能，更需要机械能和电能。内能在转化为机械能的过程中，

 

总有一部分要散发到温度较低的环境里，只有部分内能可成为有用的机械能，另一部分成了“废品”。从这个意义上说，内能是一种可被利用价值低的能量。如果其他形式的能量通过摩擦、碰撞、燃烧等过程转化成内能，其能量的可被利用的价值就降低了。

由于自然过程的不可逆性，如果一个系统的内能增加，这个系统就永远无法依靠自身的作用（自发地）回到原先的状态，除非系统依靠外界的帮助。而“外界的帮助”往往会更多地消耗其他形式的能量，又将产生出更多的内能来。

当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球上能量的总量，但是能量的可利用价值在降低。例如，汽车行驶时要消耗汽油，汽油在发动机中燃烧，将一部分内能转化为驱动汽车行驶的机械能、一部分内能使发动机整体升温而传到空气中，还有一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，后两部分内能就很难再利用了。

目前，人类消耗的能量主要来自煤炭、石油、天然气等物质。这些能源在地球上的总储量是有限的，燃烧使用后在几百年，乃至几千年内是无法再生的。如果人类不研究和开发新能源，能源危机就会迫在眉睫。所以，为了解决能源危机，世界各国都在积极研究和开发可再生能源和核能等。

本节编写思路

各种形式的能量可以互相转化。通过“大家谈”，知道能量在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。

通过“摔碎的杯子”和“气体自由膨胀”等实例，知道能量转化具有方向性。

让学生了解能量在利用的过程中，能量的总值虽然保持不变，可被利用的价值在退化，理解为什么能量守恒还会有能源危机的问题，引导学生关注可再生能源和核能的研究与开发。

正文解读

历史上蒸汽机车在交通运输业中的应用使人类迈入了“火车时代”，迅速扩大了人类的活动范围。然而，蒸汽机车受能量转化效率与污染空气等因素的影响，现已被电气化的动车所替代。这张节首图既显示能量的转化，更启发学生了解技术与社会的进步。

 

此处设置的“大家谈”旨在启发学生通过科学思维，认识各种不同形式能量之间的转化，也体会电能的来之不易。从而增强节约意识，同时加深学生对能量转化概念的理解。

 

此处设置“拓展视野”的目的在于通过简介人类科学史上对能量转化研究中一些不成功的案例知道永动机是不可能实现的，强化畿量守恒定律的普适性。

 

此处是通过多个生活中的事例，说明能量转化的方向性和自然过程的不可逆性。

由能量守恒定律可知，不可能有任何机器不消耗任何能量源源不断地对外做功，宣告“第一类永动机”不可能实现。进而有人专门研究是否存在从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响的“第二类永动机”。如热循环机系统中，利用机械能形成温度差所消耗的能量大于利用此温度差形成的能量转化所产生的能量。如空气压缩机利用机械能压缩气体所消耗的能量大于做功形成的能量。由于机械能和内能的转化过程具有方向性，热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，“第二类永动机”终告失败。

 

利用“既然能量守恒，为什么还会有能源危机”这个问题，启发学生思考能源的合理使用与能量转化的问题。

问题与思考解读

1．参考解答：A、B 不能发生。因为能量转化具有方向性，热传递过程只能自发地将内能从高温物体传向低温物体。环境温度低于杯内热水温度，杯内热水将会降温；蒸汽温度高于周围材料和环境的温度，蒸汽的内能将有一部分传递到周围材料和环境中，蒸汽机不能粑蒸汽的内能全部转化成机械能。C、D 能发生，泥沙的密度通常大于水的密度，泥沙由于重力做功而下沉；电冰箱通过电流做功而实现能量由低温向高温转移。

命题意图：认识能量转化的方向性与自然过程的不可逆性，强化能量观念。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

2．参考解答：不是。这是利用透镜聚焦的原理，将太阳光通过“阳燧”聚焦于一点，而阳燧本身并不向木材提供能量。

命题意图：分析现象的本质，利用科学推理与论证说明自然现象，提升科学素养。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

3．参考解答：在白天，太阳能电池板把太阳能转化为电能，电能储存在蓄电池里，将电能转化为蓄电池内部的化学能。晚上路灯照明时，蓄电池将其内部的化学能转化为电能。无论白天黑夜，只要有风吹动叶片转动，风能就转化为风扇叶片的动能，小风扇中的发电机再将叶片动能转化为电能。

命题意图：引导观察现代路灯，利用物理知识解释身边的物理问题。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

4．参考解答：1 节 5 号干电池的能量 E₀ = qU = 1 500 mA·h × 1.5 V = 1.5 × 3.6 × 10³ × 1.5 J = 8.1 × 10³ J

提供 1 kW·h 的电能需要干电池的节数 n = \(\frac{E}{{{E_0}}}\) = 1 × 10³ × \(\frac{{3.6 \times {{10}^3}}}{{8.1 \times {{10}^3}}}\) = 445

需要花费为 445 ×2.3 元 = 1 023.5 元

干电池的花费虽远远高于市电的费用，但由于干电池是独立电源，携带与使用方便、灵活，依然具有广阔的市场。干电池的回收与处理对环境的影响需要重视和改善。可充电干电池值得改进和推广。

命题意图：生活中能源的使用方式多种多样，不同形式能源的成本不同，有不同的用途。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）；科学态度（Ⅰ）；社会责任（Ⅰ）。

资料链接

不同能源的成本比较

能源的种类不同，即使产生相同的能量，所需要的能源成本差异也很大。例如，同样产生 1 kW·h 的能量，煤炭比石油要便宜很多倍。各种不同能源提供每千瓦·时的电能成本比较如下表所示（以人民币计价，不包括工厂运营和电能传输成本）。

能源	成本（每千瓦·时）	市场参考价
煤炭	0.05 ~ 0.07 元	500 ~ 700 元/吨
天然气	0.24 元	2.6 元/米3
石油	2.3 元	3 元/升
汽车电池	1.68 元	400 元/组
电脑电池	6.8 元	170 元/粒
AAA 电池	1 000 元	2.3 元/节
市电	0.61 元

从使用成本来看，一些发展中国家可能舍更多地依赖煤炭而不是石油或者天然气来满足能源的需求。然而，过多地依赖煤炭会造成严重的环境污染。干电池的成本虽高，但其便捷性仍然使其成为人们生活不可或缺的日常用品。