能量

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简介

在学习任何一门科学分支时，你一定多次遇到过“能量”这个词。即使没有太多的科学知识，你对能量也一定有一定的了解。一个没有科学知识的人可能会认为能量是某种使物体能够发挥作用的属性。例如，能量使我们的汽车发动机运转，能量可以照亮灯泡。然而，能量的科学观点要复杂得多，也比人们想象的要广泛得多。

什么是能量？

能量的科学定义可以表述如下：

能量是一种定量属性，它被转移到物体上，并且可以以热、光、声等形式或通过做功来识别。

这只是科学术语，普通读者可能难以理解。因此，与其死记硬背这个定义，不如让我们尝试弄清楚它的含义。

首先，能量被定义为一种定量属性，这意味着它可以被测量并表示为一个数字。许多量没有数值表示。例如，颜色不能用数字表示。然而，能量并非如此，你总是可以用一个数字和一个合适的单位来表示它的数量。

你应该注意的第二点是，能量可以以某种形式（如热或光）或通过做功来识别。也就是说，能量提供了物体做某种功的能力。事实上，这构成了能量的一个基本定义，尽管有点令人困惑：“能量是做功的能力”。同时，能量也可以被识别为热、光、声等。因此，能量有多种形式。

以上两段是你入门需要了解的关于能量的知识。现在，我们将把注意力转向能量的类型。

能量的类型

能量可以根据其所采取的形式分类为多种类型。然而，能量最简单的分类如下所示：

势能

势能通常与物体的位姿有关。例如，地球上的物体具有重力势能，随着我们从地表向上移动，重力势能增加。类似地，原子中的电子具有势能，当它靠近原子核时，势能升高。另一个常见的例子是连接在弹簧上的物体的势能。

动能

动能与运动和速度有关。当一个物体以一定的速度运动时，它就拥有我们称之为动能的能量。动能的公式非常简单。它表示为 $\mathrm{K=\frac{1}{2}mv^{2}}$

机械能

机械能是物体势能和动能的总和。这不是一种独立的能量形式。然而，导致势能和运动的力都属于力学的范畴。因此，我们有了机械能这个术语。

热能

与热相关的能量称为热能。它可以通过多种方式产生。例如，着火的物体产生大量的热能。许多化学反应是放热的，也会释放热能。

声能

就像热是能量的一种形式一样，声音也是能量。与声音相关的能量称为声能。它由声波在空间中传播，声波不能在真空中传播。

能量守恒定律

能量守恒定律是物理学最基本的定律之一。它以这样或那样的方式构成了我们几乎所有物理学理论和概念的基础。事实上，如果能量守恒被违反，我们所知道的一切物理学知识都会发生翻天覆地的变化。以下是这条普遍定律的表述：

能量只能从一种形式转变为另一种形式。但它永远不会被创造或毁灭。

能量守恒意味着能量的恒定性。也就是说，能量要么转化为不同的形式，要么保持不变。你不能凭空创造能量，也不能让它消失得无影无踪。

• 例如，假设两个钢球正在相互靠近。没有外部影响。当它们碰撞时，它们会停止并粘在一起。新手会说这里存在明显的能量损失，因为运动的物体具有动能，而动能消失了。然而，由于守恒定律，这是不可能的。你知道声音和热量是能量的形式。当两个球体碰撞时，它们会发出“砰”的一声，甚至可能会发热。因此，物体的动能仅仅转化为声能和热能。

用途

能量守恒几乎在物理学的各个领域都有应用。

解决问题

在各种情况下，使用能量守恒可以得到比其他公式更简单的方程和更快的解决方案。例如，当物体由于重力而下落时，其动能和势能可以相等，从而获得有关其速度和高度的信息。

类似地，在与中心力运动相关的难题中，我们可以用总能量来工作，并以更少的努力获得有关物体轨道的的信息。

发展理论

通常，我们需要研究理论和假设。使用能量守恒可以给我们一个如何进行的思路。例如，在两个理论 A 和 B 中，B 可能会导致违反能量守恒的结果，这将使 A 成为继续进行的唯一选择。

化学

研究与化学反应相关的能量变化可以让我们了解反应将如何进行以及反应发生的条件。例如，吸热反应只有在外部有热能可用时才会发生。

结论

能量简单来说就是做功的能力。这个简单的定义无法体现能量概念在每一个科学领域的巨大用途。能量以多种形式存在，从机械能到热能再到化学能。

能量守恒定律意味着能量的恒定性。简单来说，它指出宇宙的总能量是一个常数。也就是说，能量不能凭空出现，也不能消失得无影无踪。它只能转化为不同的形式。这条定律使我们能够比传统的公式更容易地解决物理、化学和生物学中的各种问题。

常见问题

Q1. 什么是质能等价？

Ans. 质能等价是指质量和能量相互关联的属性。我们可以将能量转换为质量，反之亦然。此类过程的数学关系由方程 $\mathrm{E=mc^{2}}$ 给出。

Q2. 能量的单位是什么？

Ans. 能量的 SI 单位是焦耳。其他单位包括卡路里、eV、尔格和千瓦时等。

Q3. 我们能将所有能量从一种形式转换为另一种形式吗？

Ans. 不。实际上，100% 的效率是不可能的。我们总是会产生某种损失，表现为热、声或光。

Q4. 当一个箱子沿着斜坡下滑时，如果我们不能创造能量，那么它的动能从哪里来？

Ans. 在重力场中的物体具有重力势能。当它们沿着斜坡下滑时，动能不会出现在任何地方。相反，势能会改变形式并表现为动能。事实上，无论哪里有力的作用，哪里就有能量的作用。在任何系统中，力与势通过方程 $\mathrm{F=-\frac{\partial U}{\partial r}}$ 相联系。

Q5. 如果一个过程不违反能量守恒，那么它是否一定能发生？

Ans. 不。尽管遵循能量守恒，但一些过程是被禁止的。这在热力学中最常遇到。