能源

从悬崖上掉下来的岩石和躺在地上的岩石是不一样的。拉紧的橡皮筋和松开的橡皮筋是不同的。一个发光的灯泡和关闭电源时的灯泡是不同的。同样的石头，同样的橡皮筋，同样的灯泡。区别在于能量。

能量是科学中最基本的概念之一。宇宙中的所有活动都可以用能量和来解释事．但是能量的定义一点也不简单，因为能量有许多不同的形式，而且要说出这些形式之间的关系以及它们有什么共同之处并不总是容易的。能量最著名的定义之一是经典的定义物理能量是做功的能力。

物理学家对功的定义并不总是与一般人对功的理解一致。在物理学中，当一个力作用在一个物体上，使它沿着力的方向移动一段距离时，功就完成了。数学上,W=Fs,在那里W功完成了吗，F是施加的力吗年代就是移动的距离。如果任何一F或年代等于0，W也等于0，所以没有做功。

如果一个人走上一段楼梯，他可能会认为这是一种工作——他努力把自己的身体提升到一个更高的水平。在这种情况下，他也根据物理学家所接受的定义做功，因为他施加一个力使自己上升了一段距离——从楼梯底部到楼梯顶部的距离。

然而，如果一个人站着不动，伸出的手臂上有100磅(45公斤)的重量，他就没有做物理学家定义的功。他正在施加一个力，使重物不掉到地板上，但重物的位置保持不变。它不会被力移动任何距离。当然，这个人正在使出相当大的肌肉力量来避免体重下降，一般人会说他确实非常努力。但他并没有根据物理学中公认的定义做任何工作。

能量很容易从一个物体转移到另一个物体，尤其是以热的形式。由于这个原因，经常有必要研究一整组可能在它们之间来回传递能量的物体。这样的群称为系统。一个系统的能量是整个系统做功的能力。如果系统的各部分相互做功，但不改变系统外的任何东西，那么系统中的总能量保持不变。然而，系统某一部分的能量可能会减少，而另一部分的能量可能会增加。

设想一个系统，包括一个有许多树的雨林，一根藤蔓挂在中心的树上，地面支撑着这些树，一只猴子站在藤蔓挂着的树下。猴子拿着藤蔓的另一端，爬上了中央的树。然后它移动几个树梢，保持相同的高度。

最后，猴子抓住仍然系在中心树上的藤蔓，向下摆动，经过中心树，再向上摆动，直到落在第三棵树上。观察猴子从一棵树上荡到另一棵树上的观察者会得出这样的结论:这个系统拥有能量，可以做功。

在这个系统中，必要的元素是猴子、树木、土地和葡萄树。猴子通过爬树来提供最初的能量，而树木则支持猴子抵抗向下拉的重力。一旦猴子开始在藤蔓上摇摆，地球的万有引力就会把它拉下来。藤蔓支撑着猴子，这样它就可以自由地向上摆动，抵抗重力，飞到另一棵树上。当所有这些元素同时出现时，系统就能做功;它有能量。

动能和势能

当猴子在藤蔓上摇摆时，它就像一个摆．像任何钟摆一样，它表现出两种能量之间的差异——动能和势能。

动能是运动的能量。当猴子从一棵树荡到另一棵树时，它有动能。高速行驶的公共汽车、落下的雨滴和旋转的陀螺也是如此。任何运动的物体都有这种能量。

势能是物体或系统由于其部件的位置而具有的能量。它通常被认为是“储存”的能量(尽管重要的是要记住，能量不是一种物质)。例如，一个拉伸的弹簧有势能。施加力来拉伸弹簧，产生储存的能量。弹簧从正常位置拉伸得越多，它在释放时做功的能力就越大。同样，一个钢球在地面上上升时的势能比它落到地面后的势能要大。在抬高的位置，由于重力的作用，它能做更多的功。

猴子站在树顶时也有势能。猴子不动，所以它没有动能。但是这个系统有能量，因为猴子在地面上的位置。在重力的作用下把猴子举起来所做的功产生了势能。

当猴子从树上跳下来时，势能被释放出来。重力把它往下拉，它移动得越来越快，直到它扫过地面时，速度非常快。为了弥补失去的势能，系统获得了越来越多的动能。当猴子落在下一棵树上时，系统又有势能，但没有动能。

这个例子说明了能量的一个基本性质，一种形式的能量可以转变成另一种形式的能量。在这种情况下，势能被转换成动能，动能再转换回势能。

机械能

机械能这个术语可以应用于所有重要组成部分(如猴子、树木、地球和葡萄树)都是肉眼可见的系统。机械能等于动能加上势能。因此，能量是一个物体由于其运动和位置而拥有的全部能量。机器——从简单的工具，如楔子、杠杆和滑轮，到复杂的设备，如汽车——都使用机械能做功。

锤子用机械能把钉子钉在木板上。当锤子被举到钉子上方时，它就有了从举起它时所做的功产生的势能。当锤子向钉子移动时，势能就变成动能，能做钉钉子的功。锤子和钉子之间的接触将能量传递到钉子，然后传递到木板。

能源有多种形式，包括化学能、核能、电能、辐射能和热能。所有这些能量都能做功。每一种形式都可以被描述为两种基本的能量形式:势能或动能。

化学能

当几种化学物质混合在一起形成火药或炸药时，如果不采取预防措施，就会发生剧烈爆炸。爆炸可以对重力做功，例如，将物质碎片抛向空中。能做功的化学物质的混合物被称为具有化学能。但并不是所有能做功的化学体系都像火药或炸药那样能量巨大。

化学能可以被认为是微观势能(“储存”)的一种形式。化学能储存在化合物的化学键中，当化合物发生变化时，化学能可以在化学反应中释放出来。

为了了解化学能，有必要研究化学过程中发生了什么化学反应．所有物质都是由叫做原子．一个原子可以和其他原子结合形成一个叫做a的基团分子．原子和分子是构成诸如岩石、木材、空气、土壤、水和生物等物质的基本组成部分。化学能是使分子中的原子聚集在一起的能量。

例如，一种原子是氧原子(O)，一个氧原子和两个氢原子(H)₂)结合形成水分子(H₂O).一种沙子分子——二氧化硅(SiO₂) -含有一个硅原子(Si)和两个氧原子。（另请参阅化学．)

分子在化学反应中形成。有些分子在形成时释放出大量的能量。这样的分子非常稳定，因为在它们分裂之前，所有的能量都必须重新注入它们。其他分子在形成时释放的能量很少。这样的分子非常不稳定。它们很容易反应形成更稳定的分子。在这些反应中释放出大量的能量。硝酸甘油——一种致密的油性液体——容易转化为水、二氧化碳、氮气和氧气。这个反应是爆炸性的，因为它发生得非常迅速，而且突然形成的气体比液态硝酸所占的空间要大得多。其他化学反应可以产生能量，但不是爆炸性的。 They may occur more slowly, and the resulting molecules may take up the same amount of room as the original molecules.

食物能是化学能的一种形式。植物从阳光中吸收能量，并将其储存在高能量的化学物质中，如葡萄糖。这个过程叫做光合作用．以植物为食的动物利用光合作用产生的化学物质来维持生命过程。其他动物可能以食草动物为食，以获得富含能量的化学物质，这些化学物质是食草动物从植物的化学物质中形成的。既然食物的能量是维持生物运动的动力，它显然能够做功。（另请参阅生态。”生态系统”)。

电能

电能的使用在现代工业世界中是非常重要的。电流驱动马达和机器。电流为电动工具、吸尘器和洗碗机等省力电器提供能量。显然，电流可以做功，因此拥有能量。

电流是带有电荷的移动粒子或原子流。电能与原子的基本结构有关。原子中心的原子核很重，带正电荷。一个或多个被称为电子的轻的带负电荷的粒子在原子核周围循环(看到事)．带正电的原子核和带负电的电子相互吸引。这种吸引力使大多数电子在原子核附近循环。但有时相邻的原子核也会吸引第一个原子的电子。化学键就是这样形成的。所以，在某种程度上，所有的化学能都是一种特殊的、微观的电能。

金属是由含有许多电子的原子组成的。由于金属原子的特殊结构，原子核的强度不足以抓住它们所有的电子(看到晶体)．有些电子或多或少在原子核之间浮动。这些自由电子可以参与电流(看到固体物理学)．

如果要在一个地方产生多余的电子，而在另一个地方产生缺少一个或多个电子的原子核，就必须做功来分离负电荷和正电荷。当这种情况发生时，比如在电池中，能量被储存起来。金属线的一端可以连接到收集多余电子的地方(电池的负极)。然后将导线的另一端连接到收集多余缺电子原子核的地方(电池的正极)。导线中的电子流动到原子核中。电子在第一个电子之后沿着导线向下流动，而来自电池的电子进入导线。从电池的负极通过导线进入正极的总电子流就是电流。由于施加了一个力，使得电子沿着导线移动了一定距离，功就完成了。（另请参阅电池；电．)

磁能与电能密切相关。只要电荷移动，就会产生磁场(另请参阅磁铁和磁性)．

辐射能

辐射能是传输的能量电磁辐射．光是电磁辐射的一种。其他种类的电磁辐射包括x射线、无线电波和微波。辐射能以波的形式传播。它可以穿过空旷的空间、空气，甚至固体物质。辐射能是由加速电荷或随时间增加或减少的电场或磁场引起的。

这些电荷和场的运动扰乱了空间。这种扰动导致一种波从原始的电或磁运动的地方传播出去。这种波由增长和收缩的电场和磁场组成，它们彼此成直角。由于辐射能波由电扰动和磁扰动组成，它们通常被称为电磁波。

光是唯一一种肉眼可见的电磁辐射形式。某些形式的电磁辐射波长比光长。它们包括无线电波、微波和红外线。伽马射线、x射线和紫外线辐射的波长比光短。人眼只对光波敏感。因此，人类的眼睛可以探测到来自太阳和恒星以及太空中其他来源的光。但是人类看不到x射线和无线电波，尽管恒星也会发射这些和其他类型的电磁辐射。特殊的望远镜用于探测来自恒星和太空中其他物体的各种电磁波。

虽然电磁辐射可以被描述为连续的波，但它也可以被描述为由分离的粒子组成。这些粒子是被称为光子的微小能量包。光和其他形式的电磁辐射实际上具有波的一些性质和粒子的一些性质。（另请参阅物理。”《解释光的问题”;量子力学．)

光子的能量随辐射的类型而变化。具有较长波长的电磁辐射具有较低能量的光子，而具有较短波长的电磁辐射具有较高能量的光子。因此，无线电波具有低能光子，而伽马射线具有高能光子。

所有形式的辐射能都能做功。人们使用各种各样的设备来捕捉和转化这种能量。这些设备通常将辐射能转换为电能，例如收音机、电视、手机和太阳能电池。

几百年来，科学家们一直认为物质和能量是完全不同的。但在20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦得出结论，物质和能量是密切相关的。他意识到物质(作为质量)可以转变为能量，能量也可以转变为质量。爱因斯坦在著名的方程中定量地描述了质量和能量之间的关系E=mc²．在这个方程中E代表能量，米对于质量，和c对于光速(这是一个常数)。由这个方程给出的质量变化量是米=E/c²．自c²是一个非常大的量，E一定很大吧米被观察到。这种关系已被实验证实。（另请参阅阿尔伯特爱因斯坦,；相对论．)

化学反应和核反应都涉及与质量变化相关的能量变化。两者都可能涉及两个实体形成两个新实体的反应。在化学反应中，实体是原子或分子。在核反应中它们是原子核。在这两种情况下，反应都可能以质量损失告终。这种损失转化为能量，通常以两个新实体的动能的形式。

在化学反应中，每个粒子可以获得高达10 eV(电子伏)的能量。这相当于损失了大约10^-31年每个粒子的质量是克，非常小。如果反应中有12克(几乎半盎司)的碳，质量损失仍然很小——只有10克⁸克。由于这个原因，化学反应中的质量到能量的转换没有被化学家注意到。

在核反应中，每个粒子产生的能量通常超过1兆电子伏(一百万电子伏)。质量损失大约是化学反应损失的一百万倍，而且很容易观察到。核物理学家在研究核反应时经常考虑到质量到能量的转换。然而，化学反应和核反应中质量损失的唯一区别是大小的不同。化学反应和核反应的来源是相同的:将一定量的质量转化为能量。

能量最有用的性质之一是它可以从一种形式转变为另一种形式。这些变化一直都在发生。大多数机器都以能量转换为目的能量转换从一种形式到另一种形式。许多日常设备依靠能量转换来工作。

一些能量转换过程只需要一个设备。例如，太阳能电池板将太阳能从阳光转化为热能(热)或电能。一些过程需要一系列涉及多个设备的能量转换。在燃煤电厂，煤中的化学能经过几个步骤转化为电能。首先，煤在锅炉中燃烧，煤的化学能转化为蒸汽的热能。蒸汽使涡轮叶片转动，从而将热能(蒸汽)转变为机械能(移动的涡轮叶片)。移动涡轮的机械能在发电机中转化为电能。

即使在普通活动中，能量也会改变形式。一个人开门使用的是储存在肌肉组织中的化学能。这种能量被转化为运动肌肉的机械能(以及热能)。肌肉对门施加一个力——一个推力，门就会打开。如果门撞到墙上，它的机械能就会转化为声能。

经过几个世纪的科学观察，科学家们已经注意到能量似乎以某种统一的方式发挥作用。其行为中存在一种规律性，没有观察到任何异常。这种规律性已经在定律中得到了表述能量守恒．该定律认为孤立系统的总能量不变。能量可以重新分配，也可以从一种形式转变为另一种形式，但总能量保持不变。然而，当一个系统不是孤立的，外界的力量就能够作用于它。在这种情况下，系统能量的任何变化必须完全等于外部力对它做的功。

能量守恒定律是了不起的，因为它指出，在所有过程中，某一数值量是不变的。它没有说明为什么或如何发生这种情况。它只是说，虽然能量的形式在不断变化，但能量本身既不会凭空出现，也不会凭空消失。尽管能量的形式千差万别，科学家们能够确定一种能量的量与另一种能量的量是完全相等的。

能量守恒的最简单的例子是由只有机械力起作用的系统提供的。摆动的钟摆，如雨林中猴子在藤蔓上摆动，不断地交换动能和势能。在摆动的顶端，速度为零，能量纯粹是势能。在摆动的底部，能量是纯动能。在中间位置，能量部分是势能，部分是动能。然而，动能和势能的总和——机械能——始终是恒定的。

实际上，纯机械系统的例子很少。钟摆不会永远摆下去。过了一段时间，波动会变小，最终停止。这是因为摆的机械能被a转化为热能力被称为摩擦。摩擦是一种阻止一个物体在另一个物体上滑动或滚动的力。当两块物质相互碰撞时，这种力就会把机械能转化为热能——比如当一个人搓手取暖时。

当钟摆在空气中移动时，它与支撑钟摆的钩子摩擦时，钟摆的运动速度会减慢。钟摆的能量被传递给它运动时所经过的空气分子和钩子上的分子。分子移动得更快，空气和钩子的温度就会上升。机械能已经转化为热能。

摩擦在大多数机械情况下都起作用。它可以将系统的部分或全部机械能转化为热能。例如，如果把一颗钉子钉进一堵墙上，锤子所做的功就会转化为变形能(钉子穿过墙时改变了墙的形状)和大量的热量。钉子和锤头会变热。

使能量守恒定律如此引人注目的是，物理学家测量的大多数其他量并不一定是守恒的。速度、加速度、温度和化学单位，如原子和分子，并不总是守恒的。然而，数量事在一个系统中，就像能量一样，也是守恒的，除非部分物质转化为能量或者部分能量转化为物质。为了考虑到这些变化，将能量守恒定律与能量守恒定律结合起来质量守恒形成一个扩展的质能守恒定律。

19世纪初，工业革命如火如荼地进行着。当时许多新发明的机器都是靠燃烧燃料来驱动的。这些机器为科学家提供了大量关于热能如何转化为其他种类的能量，其他种类的能量如何转化为热能，以及热能如何做功的信息。其中一些观察被浓缩成热力学定律。(热力学是物理学的一个分支，研究热能、其他形式的能量和功之间的关系。)

热力学第一定律是能量守恒的数学表述。这个定律说的是，系统吸收的热量等于系统能量的变化量加上系统做的功。由热力学第一定律导出的方程描述了三个变量:系统的内能、系统吸收的热能以及系统对周围环境所做的功。

热力学第一定律的实际重要性在于，它表明向系统中添加热量使系统做功。根据定义，这意味着热是能量的一种形式。当第一条定律被提出时，许多人觉得难以接受，因为他们不相信热是能量的一种形式。他们认为它是一种神秘的液体。但是第一定律确实描述了热机的作用和许多其他种类的热相互作用，所以它被接受为有效的。

第一定律说宇宙的总能量保持不变。它没有说什么种类的能量可以变成什么其他种类的能量。在多次失败的开始之后，一个原理——热力学第二定律——被提出，它描述了各种可能的能量转换。这一定律指出，任何系统内的条件都趋向于变化到最混乱的状态。(系统中的无序程度称为熵。)因此，必须从系统外部进行工作，以使系统更有序，也就是说，减少系统的熵。

热力学第二定律似乎令人惊讶，但它确实描述了许多常见的经验。例如，当一个人踢掉他的鞋子时，它们很有可能不会落在衣橱里，而是落在其他地方。为了让它们回到属于它们的地方，人们必须努力工作。他必须把它们捡起来，搬到壁橱里，并把它们放在合适的位置。

热能是能量中最无序的形式。(物体中的单个分子朝着随机方向运动。)因此，根据第二定律，只有一小部分热能可以转化为有用的功。热机可以将部分但不是全部可用的热能转化为机械能。其余的仍然是热能，不管它是否需要、想要或受欢迎。

另一方面，机械能可以完全转化为热能。这是一个显著的不对称。在这两种转换中，总能量是守恒的。但是热力学第二定律描述了能量转换方向的限制。

汽车发动机把汽油中的化学能转化为热能。热能使气体膨胀并推动活塞，从而部分地将热能转化为机械能。然而，大部分热能只是加热了发动机。活塞的机械能被传递给轮胎，轮胎推着路面，推动汽车前进。但是轮胎中的一些能量通过摩擦转化为热能。在这个过程中，以及在所有其他涉及热能转化为机械能的过程中，大部分原始热能都保留下来。

为了说明热力学第二定律和第一定律之间的区别，考虑一锅被燃烧器加热的水。热力学第一定律完全允许水结冰，燃烧器的火焰变得更热，只要总能量保持不变。热力学第二定律认为这是不可能的。这个过程必须朝着热量从较热的物体传递到较冷物体的方向进行。在观测到的宇宙中发生的所有过程的一般方向是增加熵。

热力学第三定律涉及一种称为绝对零度的温度。绝对零度出现在-273°C(-460°F)左右。理论上，在绝对零度下，所有物质都将拥有尽可能小的能量，有些物质将拥有零熵(完全有序)。第三定律指出，虽然绝对零度可以越来越接近，但实际上是不可能达到它的(看到低温学)．

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