能量

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能量(英文名:Energy)是衡量物质存在和运动变化的量度,是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。它以各种形式存在,如动能(运动的能量)、势能(储存的能量)、热能(热量)、化学能(储存在化学键中)、核能(来自原子反应)等等。 能量是衡量物质存在和运动变化的量度,是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。利用能量从实质上讲就是利用自...

能量(英文名:Energy)是衡量物质存在和运动变化的量度,是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。它以各种形式存在,如动能(运动的能量)、势能(储存的能量)、热能(热量)、化学能(储存在化学键中)、核能(来自原子反应)等等。

能量的形式

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能量是衡量物质存在和运动变化的量度,是物理学中一个重要的基本概念。经典力学对能量的定义是指物体做功能力的量度。利用能量从实质上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。例如,水力发电就是利用水从高处流往低处的这一自发过程,使水的势能转换为动能,再推动水轮机转动,水轮机又带动发电机,通过发电机将机械能转换为电能供人类利用。显然能量利用的优劣,利用效率的高低与具体过程密切相关。而且利用能量的结果必然和能量系统的始末状态相联系,例如水力发电系统通过消耗一部分水能来获得电能,系统的始末状态(如水位、流量等)都发生了变化。

量子力学

对能量的分类方法没有统一的标准,被人类广泛接受的形式的能量有如下六种,分别为机械能、热能、化学能、电能、辐射能、核能。

能量形式定义
机械能(mechanical energy)机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量,前者称之为动能,后者称之为势能。它们都是人类最早认识的能量形式
热能(thermal energy)热能是能量的一种基本形式,所有其他形式的能量都可以完全转换为热能,而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的,因此热能在能量利用中有重要意义。构成物质的微观分子运动的动能和势能的总和称为热能
化学能(chemical energy)化学能是物质结构能的一种,即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学定义,物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能
电能(electrical energy)电能是和电子流动与积累有关的一种能量,通常是由电池中的化学能转换而来的,或者是通过发电机由机械能转换得到的;反之,电能也可以通过电动机转换为机械能
辐射能(radiant energy)辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能,其中从能量利用的角度而言,因热的原因而发出的辐射能(又称热辐射能)是最有意义的
核能(nuclear energy)核能是从原子核(由质子和中子组成)释放的能量形式。这种能量来源可以通过两种方式产生:裂变——原子核分裂成几个部分——或聚变——原子核融合在一起。它可以通过质量差来计算

历史

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能量是一个古老的概念,公元前四世纪,亚里士多德就在其著作中用古希腊语:ἐνέργεια一词表示能量。1686年,戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)提出了拉丁语的概念:vis viva,即生命力,其定义为物体质量与其速度平方的乘积;1695年,莱布尼茨以另一种特殊的形式给出了活力(vis viva)的概念,即力和路程的乘积。托马斯·杨(Thomas Young)可能是第一个使用“能量”一词来代替现代意义上的“vis viva”的人。1807年托马斯·杨在《关于自然哲学和机械技术教程》一书中,用“能”(energy)这个词来表示活力。杨根据热与光的比较,得知物体的辐射热与红外线的热效应相一致,从而认识到热与光在本质上是相同的(他认为都是波动)。

能量

戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)

古斯塔夫-加斯帕德·科里奥利(Gustave-Gaspard Coriolis)于1829年描述了现代意义上的“动能”,威廉·兰金(William Rankine)于1853年创造了“势能”一词。能量守恒定律也是在19世纪初首次提出的,并且适用于任何孤立系统。多年来,人们一直在争论热是否是一种物理物质,称为“热量”,或者仅仅是一个物理量,例如动量。1842年,迈尔(J.R.Mayer)提出了能量守恒理论,认为热只是能量的一种形式,可与机械能互相转化,并且从空气的比定压热容与比定容热容之差计算出热功当量。英国物理学家焦耳(J.P.Joule)采用多种方法求解热功当量,所得结果一致,并将其多年实验结果写成论文发表在《哲学学报》1850年第140卷上,使科学界彻底抛弃了“热质说”。

能量

托马斯·杨(Thomas Young)

相关概念

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系统

在物理学中,系统是指研究的对象或关注的部分,它可以包括任何数量的物体,以及这些物体之间的相互作用。系统通常与外部环境通过系统边界分隔开来。系统可以依边界允许的质量或能量交换方式来分类,简单分类可以分为以下三类:开放系统、封闭系统和孤立系统。

开放系统系统与环境之间存在能量和物质传递
封闭系统系统与环境之间只有能量传递,没有物质传递
孤立系统系统与环境之既无能量传递,又无物质传递

能量

系统

可逆和不可逆

自然界的宏观过程的方向性就是说这些过程都是自发沿某一方向进行,其反方向不能自发进行,或反方向可以进行但一定伴随有其他过程。这种方向性可以用过程的不可逆性来描述。

不可逆过程是指:如果一个过程发生以后,无论通过何种途径都不能使系统和外界回到原来状态而没有引起任何变化。相对不可逆过程,可逆过程是指:如果一个过程发生以后,可以反向进行,同时使系统和外界回到原来状态而没有引起任何变化。从不可逆过程的讨论中可见,凡是伴随有摩擦(功变热)或存在有限大小的温差(热传导)的过程都是不可逆过程。只有无摩擦的(不存在功变热),而且系统经历的变化过程中的每一个状态与热源(外界)之间的温差无限接近(不存在热传导),才是可逆过程。因此,只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。

能源

能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。确切而简单地说,能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

能源类型定义
化石燃料(fossil fuels)包括石油、天然气和煤炭等。这些能源来自已经埋藏在地下数百万年的有机物质
太阳能(solar energy)来自太阳辐射,太阳能是所有能源中资源最丰富的,甚至天气为多云时也可以利用
风能(wind energy)能是利用通过使用位于陆地(陆上)或海洋或淡水(海上)中的大型风力涡轮机来移动空气而产生的动能
水能(hydroelectric power)水力发电是开发河川或海洋的水能资源,转换水能为电能的工程技术。采取集中水头和调节径流等措施,把天然水流中蕴有的位能和动能经水轮机转换为机械能,再通过发电机转换为电能,最后经输变电设施将电能送入电力系统或直接供电给用户
生物能(生物质能)(bioenergy)生物能源又称绿色能源,是指利用生物可再生原料及太阳能生产的生物质能及利用生物质生产的能源,如燃料乙醇、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢、沼气等
核能(nuclear energy)世界上一切物质都是由原子构成的,原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量,分别称为核聚变能和核裂变能,简称核能
地热能(geothermal power)地热能是利用来自地球内部可获得的热能,使用地热井或其他方法从地热储层中提取热量
潮汐能和海洋能(marine current power and ocean energy)海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源,包括潮汐能、波浪引起的机械能和热能。海洋能同时也涉及一个更广的范畴,包括海面上空的风能、海水表面的太阳能和海里的生物质能

相关定理

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能量守恒定律

能量守恒定律指出:自然界一切物体都具有能量,能量有各种不同的形式,它能从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,转化和传弟中能量的数量不变。系统的总能量由内能、宏观动能和宏观位能组成。从微观上看,物体的内能是指组成物体的一切微观粒子的动能和粒子间相互作用势能的总和。具体来说包括分子及原子的热运动动能,原子的振动势能,分子间相互作用势能,分子,原子内的能量,如原子核内部的能量等。与原子结构的变化有关的内能称为“化学”内能。所有的燃烧过程以及蓄电池的放电反应都是由于化学反应而引起内能变化的例子。此外,当有电磁场与系统相互作用时还包括相应的电磁形式的能量。当然,在一般的热力学过程中,物体的化学能,核能都不会变化,因而不会表现出来。

质能转换

质能转换方程是狭义相对论的重要推论,由阿尔伯特·爱因斯坦提出。该方程是描述质量与能量之间的当量关系的方程。其中,E表示能量,m表示质量,c表示真空中的光速(常量,c=299792.458km/s)。1907年,爱因斯坦写下了关于狭义相对论和质能关系的论文——《关于相对性原理所要求的能量惯性问题》和《关于相对性原理由此得出的结论》,进一步揭示了“同惯性有关的质量m相当于其量的

”,“对于孤立的物理体系,质量守恒定律只有在其能量保持不变的情况下是正确的”。在历史上两条相互独立的自然规律——能量守恒和质量守恒由相对论统一起来了。

能量

爱因斯坦

能量均分定理

能量均分定理的表述为:在温度

的平衡态,物质分子的每个自由度都具有相同的平均动能,其大小都等于

能量均分定理能从经典统计物理中得到严格的证明,是关于分子热运动动能的统计规律。对个别分子来说,在任一时刻它的各自由度的动能与按能量均分定理所确定的平均值可以有很大的差别,而且每一种形式动能也不见得按自由度均分。但大数分子在平衡态时动能按自由度均分,是统计平均结果。

热力学第一定律

热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热现象上的应用,确定了热能和其他能量之间转换过程中的相互数量关系。

在工程热力学中,热力学第一定律可具体表达为:热可以变为功,功也可以变为热,两者之和维持守恒。一定数量的热消失时,必定产生与之数量完全相等的功;反之,消耗一定数量的功,也必定出现数量相同的热,即能量不可能凭空产生或消失。

能量

水坝能把重力位能转换成动能并最终透过发电机转换成电能

热力学第二定律

热力学第二定律是反映自发过程具有方向性与不可逆性这一规律的定律,其实质是指出了能量的品质属性。

热力学第二定律有过多种表述方法,常见有以下几种说法:

克劳修斯的说法:不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

开尔文的说法:不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。

克劳修斯和开尔文说法都指某一过程是“不可能”的,即指明某种自发过程的逆过程是不能自动进行的。克劳修斯的说法是指明热传导的不可逆性,实质是说明能量传递的方向性,指出了热量传递的必要条件;开尔文的说法是指明摩擦生热(功变热)的过程的不可逆性,实质是说明能量转换的方向性,指出了热能转换为机械能的条件,是能量守恒定律的补充,这两种说法对自发过程的认识实际上是等效的。

焦耳定律

1841年,英国物理学家詹姆斯·焦耳发现载流导体中产生的热量Q(称为焦耳热)与电流I的平方、导体的电阻R和通电时间t成比例。在纯电阻电路中(如电阻、白炽灯、电炉、电热毯等),电流所做的功(电功)全部转化为焦耳热Q。

其中Q指热量,单位是焦耳(J),I指电流,单位是安培(A),R指电阻,单位是欧姆(

),t指时间,单位是秒(s),以上单位全部用的是国际单位制中的单位。

能量转换

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能量以不同的形式或状态储存在各种物质或物体中。能量可以从一种形式转换成另一种形式,转换过程中能量的总和保持不变。要想得到一定的功,必须消耗一定其他形式的能量,不消耗能量而产生机械功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。但能量转换过程的实现是有条件、方向及限度(效率)约束的。例如:热量总是自发地由高温物体传向低温物体,而不能自发地从低温物体向高温物体传递;机械能(摩擦功)能够自发地转变为热能,而热能却不能自发地、全部地转变成机械能;从热物体排出热量的制冷过程必须消耗功;从高温热源获得的热量(如发动机燃料燃烧释放热量等)转变成机械能时,必须有一部分热量被损失掉(如发动机排出的废气带走的热量排向大气,冷却液带走的热量等),热利用率不可能是100%,但可以通过减少各种损失,尽可能提高热利用率。

能量

能量转换

能量转换类型举例
机械能转换当物体在重力场中上升或下降时,它的势能和动能会发生转换
热能转换化学燃料燃烧使化学能转化为热能,蒸汽机将热能转化为机械能
电能转换发电机将机械能转换为电能。电能可以通过电动机转换为机械能
化学能转换化学反应中的能量变化涉及到化学能的转换。电池将化学能转换为电能,而火焰则是将化学能转化为光和热能的例子
光能转换光伏电池利用光能将其转换为电能
核能转换核电站通过核裂变将核能转换为热能,再通过蒸汽轮机转换为电能
生物能转换光合作用是将太阳能转化为化学能的生物过程。生物体通过新陈代谢将食物中的化学能转换为机械能和热能

相关单位

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能量相关单位及其换算

单位焦耳(J)千瓦小时(kW.h)千克力米(kgf.m)升大气压(l·atm)英尺磅达(ft·pdl)英尺磅力(ft·lbf)英马力小时(hp.h)
焦耳(J)

1J=

千瓦小时(kW.h)1kW·h=
千克力米(kgf.m)

1kgf.m=

升大气压(l·atm)

1l·atm=

英尺磅达(ft·pdl)

1ft·pdl=

英尺磅力(ft·lbf)

1ft·lbf=

英马力小时(hp.h)

1hp.h=

能量的测量

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机械能的测量

机械能包括动能与势能,动能的计算公式为

,m表示物体的质量,v表示物体的速度。势能的测量见2.1节。

热能的测量

热量计是一种测量热量或热能的仪器。通过测量物体加热或冷却过程中的热量变化,可以计算出物体的热量或热能。氧弹热量计是测定固态、液态可燃物质燃烧热的计量仪器。氧弹量热法的基本原理是取一定量的试样置于充以纯氧的氧弹中燃烧,该氧弹浸没在一定量的水中。根据燃烧后释放出的热量使水温升高的情况,计算出试样的燃烧热值。但是试样燃烧后放出的热量不仅被水吸收,整个量热体系的其它部分如氧弹、量热容器内筒屯搅拌器和温度计或测温探头浸入水中的部分都要吸收一定的热量,因此试样释放的热量应等于整个量热体系吸收热量的总和。

能量

HWR热量计

图中1为面板打印机;2为外筒温度计;3为铂电阻测温探头;4为上盖;5为内搅拌器;6为外搅拌器(手动);7为内筒;8为外筒;9为氧弹;10为隔热板。热能的单位通常是千焦耳(kJ)或千卡(kcal)。

化学能的测量

在一个化学反应中,基于能量守恒定律,通过测定反应前后反应体系温度的变化即可求出反应的热效应。可以用下图所示的实验仪器。

能量

化学反应热测定实验仪器

电能的测量

电子式交流电能表是在数字功率表的基础上发展起来的,它采用乘法器实现对电功率的测量。电子式单相电能表的原理结构框图如下图所示。

能量

电子式单机电能表的原理机构框图

被测的瞬时电压u、瞬时电流i分别经电压采样器和电流采样器,转换成与之成正比的弱电信号,送至乘法器,乘法器完成电压信号和电流信号瞬时值相乘,输出一个与瞬时功率成正比的直流电压信号

,然后利用P/f转换器,将

转换成相应的脉冲频率

于平均功率成正比),通过分频器将该频率分频,并通过一段时间内计数器的计数,显示出相应的电能。电能表的单位是千瓦时(kWh)。

辐射能测量

辐射能量检测计是用来测量辐射能量强度的仪器,简称辐射计。根据能量的转换原理辐射计可以分为辐射热检测计(thermal detector)和光检测计(photon detector)或称量子检测计(quantum detector)。辐射热检测计的基本原理是,通过惠斯通电桥互相连接的2个匹配的单元,一端暴露在外面,作为接收器,另一端封闭于室温下,作为标准端。当吸收器接受入射辐射电磁波的能量时,其温度随之升高,该感光元件的电阻值亦将随之增大,从而引起不平衡的电流或电压,再通过信号放大处理,便能够测得入射辐射能量。光检测计的基本原理是入射的光子直接将其能量转换给电子,电子获得较高的能量后产生电子跃迁,或者在半导体材料中形成电子空穴碰撞偶,从而计算出辐射能量的多少。通常,光检测器可分为光电检测器和半导体检测器,前者对可见光一紫外线波长范围内的辐射能量比较敏感,后者对红外辐射的适用性比较好。

核能的测量

测量核反应前后系统的质量差值,然后根据

公式算出核反应释放的能量。

应用

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化学

化学科学主要研究化学反应中的能量变化或转化,化学能以多种途径与其他形式的能进行转化,并直接参与到整个自然界的能量循环之中,化学科学在能源的开发和利用方面发挥着重要作用;不管是宏观物质还是微观粒子都具有能量,宏观物质化学反应中表现出来的能量变化是微粒作用力发生变化的集合体:化学键的强弱用能量来衡量,由于化学物质微粒间作用方式的不同,化学键的划分类型不同,故能量衡量的角度也就不同。化学中的能量观可以涵盖原子、分子、电子等微观粒子的能量,化学键的键能,物质的稳定性,化学反应的能量效应、化学能与热能、光能和电能的转换,化石燃料。

生命科学

世界上的生物总是在不停地运动着。动物在奔跑、飞翔、游泳。植物日复一日追逐着太阳。即使是微生物,也在不停地运动。我们体内的细胞的各个部分也在不停地运动,这些运动使我们的细胞可以生长、分裂、改变形状、甚至运动。除了运动之外,生物的触觉和听觉要求细胞能够感知非常细微的机械力。运动和感知都需要能量。

能量

计算机科学

计算机信息技术中,能量被用于评估和优化硬件和软件系统的能源效率,以减少能源消耗。软件能耗的概念是Tiwari等人于1994年在研究系统能耗时,发现仅从硬件结构角度评估系统能耗,无法满足系统级能耗评估需求时提出的。Tiwari等人认为软件能耗是指令在处理器上执行过程中系统部件消耗的能量。

地球科学

能量在地球的动力学过程中扮演着关键角色,包括大气运动、地壳运动和海洋循环等。地球内部的热能和太阳辐射会影响地球的板块运动。

宇宙学

能量是客观存在的,它是宇宙存在的最普遍形式与表现。换言之,宇宙完全是由能量形成的。能量的表现形式多样,暗物质暗能量、电磁能量场、物理能、化学能、物质等都是能量的表现。能量可以分为三类,一类是较稳定的、难以观测的非物质形态类的“气”能量,这类物质包括暗物质、暗能量;另一类是极不稳定的、较难观测的电磁能量包括热能、意识能、物理化学能等;最后一类才是较稳定的、易观易测的物质(能量),这类物质种类繁多,丰富多彩的世界主要是靠它来表现。物质是能量的聚积体、载体,物质的一切特性都是通过能量来表现的,其中物质做功的能力实质就是能量运动、转移的过程。因此不仅物质是“能量”,而且从属于物质特性的能量也是“物质”,当然它更是能量。

参考资料

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词条目录
  1. 能量的形式
  2. 历史
  3. 相关概念
  4. 系统
  5. 可逆和不可逆
  6. 能源
  7. 相关定理
  8. 能量守恒定律
  9. 质能转换
  10. 能量均分定理
  11. 热力学第一定律
  12. 热力学第二定律
  13. 焦耳定律
  14. 能量转换
  15. 相关单位
  16. 能量的测量
  17. 机械能的测量
  18. 热能的测量
  19. 化学能的测量
  20. 电能的测量
  21. 辐射能测量
  22. 核能的测量
  23. 应用
  24. 化学
  25. 生命科学
  26. 计算机科学
  27. 地球科学
  28. 宇宙学
  29. 参考资料

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