高中化學/能量
就像物質一樣，能量是我們每個人都熟悉並在日常生活中使用的。在長時間遠足之前，你會吃一個能量棒；每個月都會支付能量賬單；在電視上，政客們爭論能量危機。但是你有沒有想過能量到底是什麼？當你將燈插入電源插座時，你會看到以光形式出現的能量，但當你將電熱墊插入同一個插座時，你只感覺到溫暖。當你吃一碗義大利麵時，它提供的能量幫助你一整天都保持正常運轉，但當你吃五碗義大利麵時，其中一些能量會轉化為身體脂肪。
如果你停下來思考，能量非常複雜。儘管如此，我們還是用能量來完成我們所做的一切，從我們醒來那一刻到我們睡覺的那一刻，甚至在我們睡覺時，我們的身體也在利用能量來做一些事情，比如生長骨骼。沒有能量，我們就無法開啟燈，無法刷牙，無法制作午餐，也無法去上學。雖然我們每個人都使用能量，但很少有人瞭解我們如何使用它。
- 定義熱量和功。
- 區分動能和勢能。
- 什麼是化學勢能。
- 說明物質和能量守恆定律。
當我們談論使用能量時，我們實際上指的是將能量轉移到另一個地方。當你使用能量來投球時，你將能量從你的身體轉移到球上，這導致球在空中飛行。當你使用能量來給房子供暖時，你將能量從爐子轉移到家裡的空氣中，這導致你房子裡的溫度升高。雖然能量在許多不同型別的環境中使用，但所有這些使用都依賴於能量以兩種方式之一進行轉移。能量可以以熱量或功的形式轉移。不幸的是，“熱量”和“功”都是常見的詞，所以你可能認為你已經知道它們的意思。在科學中，“熱量”和“功”這兩個詞有非常具體的定義，與你可能期望的有所不同。不要將“熱量”和“功”這兩個詞的日常意義與科學意義混淆。
當科學家談論熱量時，他們指的是由於溫度差而從溫度較高的物體轉移到溫度較低的物體的能量。熱量將從熱物體流向冷物體，直到兩者最終達到相同的溫度。當你用金屬鍋烹飪時，你會看到能量以熱量的形式轉移。最初，只有爐子元件是熱的——鍋和鍋裡的食物是冷的。因此，熱量從熱的爐子元件轉移到冷鍋。過了一會兒，足夠的熱量從爐子轉移到鍋，提高了鍋及其所有內容物的溫度（圖 1.23）。
我們都觀察到熱量從熱物體轉移到冷物體，但你可能想知道能量實際上是如何傳播的。只要物體是熱的，物體內部的分子就會劇烈地振動和振動。物體越熱，分子就越劇烈地晃動。正如你將在下一節中學到的那樣，任何運動的東西都有能量，它運動得越多，它擁有的能量就越多。熱物體有大量的能量，當兩者接觸時，正是這種能量被轉移到較冷的物體。視覺化熱量傳遞的最簡單方法是想象多米諾骨牌效應。
熱量正在從熱物體轉移到較冷的物體。詳細說明：a. 當熱物體中的紅色分子振動和振動時，它們會撞擊一些較冷物體中的藍色分子。這將能量從熱分子轉移到較冷的分子，導致這些分子振動得更快。b. - d. 就像多米諾骨牌一樣，熱量沿著鏈傳遞，直到能量在所有分子之間均勻分佈。
仔細觀察右邊的圖。當熱物體的振動分子撞擊較冷物體的分子時，它們會轉移一些能量，導致較冷物體中的分子也開始劇烈振動。當這些分子振動時，它們會撞擊它們的鄰居，並將一些能量傳遞下去。這樣，能量透過整個系統傳遞，直到所有分子都具有大致相同的能量，並且初始物體處於相同的溫度。
熱量只是能量可以轉移的一種方式。能量也可以以功的形式轉移。功的科學定義是力（任何推力或拉力）在距離上應用。只要你推動物體並使其移動，你就做了功，你就將一些你的能量轉移到物體上。此時，重要的是要提醒你一個常見的誤解。有時我們認為所做的功的數量可以透過所付出的努力的數量來衡量。這在日常生活中可能是真的，但在科學中並非如此。根據定義，科學工作要求力在距離上施加。你推得多用力或拉得多用力並不重要。如果你沒有移動物體，你就沒有做任何功。
到目前為止，我們已經討論了能量可以從一個地方或物體轉移到另一個地方的兩種方式。能量可以以熱量的形式轉移，能量也可以以功的形式轉移。但問題仍然存在——能量是什麼？我們將在下一節嘗試至少部分解決這個問題。
機器使用能量，我們的身體使用能量，能量來自太陽，能量來自火山，能量引發森林大火，能量幫助我們種植食物。有了所有這些看似不同的能量型別，很難相信實際上只有兩種不同的能量形式——動能和勢能。動能是與運動相關的能量。當物體運動時，它具有動能。當物體停止運動時，它沒有動能。雖然所有運動的物體都具有動能，但並非所有運動的物體都具有相同的動能。物體具有的動能由它的質量和速度決定。物體越重，運動速度越快，它擁有的動能就越多。
動能非常常見，並且很容易在我們周圍的世界中找到它的例子。有時我們甚至試圖捕獲動能並用它來為我們的家用電器供電。如果你來自加利福尼亞州，你可能在莫哈韋附近的 Tehachapi 山口或索拉諾縣的蒙特祖馬山地穿過，並看到排列在山坡上的風車（圖 1.24）。這些是北美最大的兩個風電場。當風沿著山坡吹過時，移動的空氣粒子的動能使風車轉動，捕獲風的動能，以便人們可以在他們的房屋和辦公室中使用它。
捕獲動能可能非常有效，但如果你仔細思考，你會意識到有一個小問題。動能只有在物體運動時才可用。當風在吹的時候，我們可以使用它的動能，但當風停止吹的時候，就沒有動能可用。想象一下，試圖使用風的動能來為你的電視機供電是什麼樣的。你可以在颳風的日子開啟電視觀看你最喜歡的節目，但每次風停止吹的時候，你的電視螢幕就會閃爍並關閉，因為它會耗盡能量。你可能只能觀看大約一半的劇集，你永遠不知道發生了什麼！
當然，當你開啟電視或開啟燈時，你通常可以指望它們有持續的能量供應。這主要是因為我們不只依賴動能來獲取能量。相反，我們使用能量的另一種形式——我們使用勢能。勢能是儲存的能量。它是直到我們選擇使用它才會釋放出來的能量。想想手電筒裡的電池。如果你一直開著手電筒，電池會在幾個小時內耗盡能量，你的手電筒就會沒電。但是，如果你只在需要的時候使用手電筒，並在不需要的時候關掉它，電池可以使用幾天甚至幾個月。電池包含一定量的能量，它可以為手電筒供電一定時間，但由於電池儲存的是勢能，你可以選擇一次性使用所有能量，也可以儲存能量，一次只使用少量。
任何儲存的能量都是勢能。不幸的是，能量儲存的方式有很多，這使得勢能難以識別。一般來說，物體具有勢能是因為它相對於另一個物體的位置。例如，當你用手舉起一塊岩石在地球上方時，它具有勢能，因為它的位置相對於地面。你可以看出這是勢能，因為只要你用手舉著岩石，能量就會儲存起來。然而，一旦你鬆開岩石，儲存的能量就會釋放出來。
還有其他常見的勢能例子。山頂上的球儲存著勢能，直到它被允許滾到山底。當你把兩個磁鐵靠近彼此時，它們也會儲存勢能。然而，對於某些勢能的例子來說，很難看出“位置”是如何參與的。在化學中，我們經常感興趣的是所謂的化學勢能。化學勢能是儲存在構成物質的原子、分子和化學鍵中的能量。這如何取決於位置？
如你之前所學，世界以及其中的所有化學物質都是由原子和分子組成的。它們儲存著取決於它們彼此之間相對位置的勢能。當然，你無法看到原子和分子。儘管如此，科學家確實對原子和分子相互作用的方式有了很多瞭解，這使他們能夠弄清楚特定數量（如一杯或一加侖）的特定化學物質（圖 1.25）中儲存了多少勢能。不同的化學物質具有不同的勢能，因為它們由不同的原子組成，而這些原子彼此之間的位置不同。
由於不同的化學物質具有不同的勢能，科學家有時會說勢能不僅取決於位置，還取決於組成。組成影響勢能，因為它決定了哪些分子和原子最終彼此相鄰。例如，一杯純水的總勢能與一杯蘋果汁的總勢能不同，因為一杯水和一杯蘋果汁是由不同數量的不同化學物質組成的。
在這一點上，你可能想知道化學勢能到底有多有用。如果你想釋放儲存在懸在空中物體中的勢能，你只需把它掉下來。但是你如何從化學物質中獲得勢能？這其實並不難。你利用了不同的化學物質具有不同數量的勢能這一事實。如果你從具有大量勢能的化學物質開始，並允許它們發生反應，形成具有較少勢能的化學物質，那麼一開始存在於化學物質中但在最後不存在的所有額外能量都會釋放出來。
到目前為止，我們已經討論了能量如何以動能或勢能的形式存在，以及能量如何以熱量或功的形式傳遞。雖然瞭解動能和勢能之間的區別以及熱量和功之間的區別很重要，但事實是，能量一直在發生變化。動能不斷地轉化為勢能，而勢能不斷地轉化為動能。同樣，以功的形式傳遞的能量可能稍後以熱的形式傳遞，而以熱的形式傳遞的能量可能稍後用於做功。
即使能量可以改變形式，它仍然必須遵循一個基本定律——能量既不能創造也不能毀滅，它只能從一種形式轉化為另一種形式。這個定律被稱為能量守恆定律。在很多方面，能量就像金錢。你可以用硬幣換紙幣，用紙幣換硬幣，但是無論你轉換多少次，你最終擁有的錢都不會比你最初擁有的多或少。同樣，你可以用現金或信用卡轉賬（或消費）錢，但你仍然消費相同的金額，商店仍然賺取相同的金額。
事實證明，能量守恆定律並不是完全正確。如果你回想一下，你會記得能量和物質實際上是可以相互轉換的。換句話說，能量可以被創造（從物質中產生）和毀滅（轉化為物質）。因此，能量守恆定律已經被修改為物質守恆定律和能量守恆定律。這個定律指出，宇宙中物質和能量的總量是守恆的（不會改變）。
這是你將要學習的最重要的定律之一。然而，在化學中，我們很少關心將物質轉化為能量或能量轉化為物質。相反，化學家主要處理將一種形式的物質轉化為另一種形式的物質（透過化學反應）以及將一種形式的能量轉化為另一種形式的能量。
讓我們看幾個例子，其中動能被轉換為勢能，反之亦然。還記得威爾·E·考約特拿著他準備從懸崖上扔下來的鐵錘嗎？只要威爾·E·考約特拿著鐵錘，等待著路易兔，鐵錘就儲存著勢能。然而，當威爾·E·考約特放下鐵錘時，最初儲存在鐵錘中的勢能轉化為動能。鐵錘墜落得越遠，墜落速度越快，鐵錘的勢能轉化為動能就越多。
相反，當你在空中扔球時，就會發生這種情況。當球離開你的手時，它具有很大的動能，但當它在空中越飛越高時，動能會轉化為勢能。最終，當所有的動能都轉化為勢能時，球就完全停止運動，並在空中停留片刻。然後球開始向下落，勢能再次轉化為動能。
正如動能和勢能可以相互轉換一樣，功和熱也可以相互轉換。想想熱氣球（圖 1.26）。為了使熱氣球執行，氣球底部的一個火焰被用來將熱量形式的能量從火焰傳遞到氣球內部的空氣分子。然而，這種熱量傳遞的全部目的是捕捉熱量並將它轉化為使氣球升入空中的功。熱氣球的巧妙設計使得熱量向功的轉換成為可能。
- 無論何時我們使用能量，我們都會將能量從一個物體傳遞到另一個物體。能量可以透過兩種方式傳遞——作為熱量或作為功。
- 熱量是指由於物體之間溫度差而從一個較熱物體傳遞到一個較冷物體的能量。
- 功是指由於施加在一定距離上的力而傳遞的能量。
- 能量以兩種根本不同的形式存在——動能和勢能。
- 動能是運動的能量。
- 勢能是儲存的能量，它取決於物體相對於另一個物體的 位置。
- 化學勢能是一種特殊的勢能，它取決於不同原子和分子彼此之間相對的位置。化學勢能也可以被認為取決於化學組成。
- 能量可以從一種形式轉化為另一種形式。
- 宇宙中物質和能量的總量是守恆的。
- 將以下各項歸類為主要以熱量傳遞的能量或主要以功傳遞的能量
- (a) 你用身體將能量傳遞給購物手推車，當你推動購物手推車沿著過道走時。
- (b) 當你去衝浪時，波浪將能量傳遞給你的衝浪板。
- (c) 當你用篝火烤熱狗時，火焰將能量傳遞給你的熱狗。
- 判斷以下每個陳述是真還是假
- (a) 當熱量傳遞給物體時，物體就會冷卻。
- (b) 無論何時你提高物體的溫度，你都在做功。
- (c) 無論何時你透過施加力來移動物體，你都在做功。
- (d) 無論何時你對物體施加力，你都在做功。
- 按做功量由小到大排列以下場景
- (a) 你對一塊巨石施加了 100 牛頓的力，併成功地將其移動了 2 米。
- (b) 你對一塊巨石施加 100 牛頓的力，成功地將其移動了 1 米。
- (c) 你對一塊巨石施加 200 牛頓的力，成功地將其移動了 2 米。
- (d) 你對一塊巨石施加 200 牛頓的力，但無法移動它。
- 在科學中，真空被定義為絕對不包含任何物質（沒有分子、原子等）的空間。能量可以透過真空以熱的形式傳遞嗎？為什麼或為什麼不？
- 將以下每種能量歸類為動能或勢能
- (a) 巧克力棒中的能量。
- (b) 用於旋轉渦輪機或水輪的奔流水的能量。
- (c) 滑冰者在冰面上滑行的能量。
- (d) 拉伸橡皮筋中的能量。
- 確定以下哪個物體具有更大的動能
- (a) 一個以 6 英里/小時的速度奔跑的 200 磅重的男人或一個以 3 英里/小時的速度奔跑的 200 磅重的男人。
- (b) 一個以 7 英里/小時的速度奔跑的 200 磅重的男人或一個以 7 英里/小時的速度奔跑的 150 磅重的男人。
- (c) 一個以 5 英里/小時的速度奔跑的 400 磅重的男人或一個以 3 英里/小時的速度奔跑的 150 磅重的男人。
- 一輛汽車和一輛卡車以相同的速度沿著高速公路行駛。
- (a) 如果汽車重 1500 公斤，卡車重 2500 公斤，哪個動能更大，汽車還是卡車？
- (b) 汽車和卡車都將汽油中儲存的勢能轉化為運動的動能。你認為哪一個使用更多的汽油來行駛相同的距離，汽車還是卡車？
- 你在燒杯中混合兩種化學物質，並注意到當化學物質發生反應時，燒杯變得明顯更冷。哪種化學物質具有更多的化學勢能，反應開始時存在的化學物質還是反應結束時存在的化學物質？
- 化學勢能
- 儲存在物質的原子、分子和鍵中的勢能。
- 力
- 任何推或拉。
- 熱
- 由於溫度差異而從一個物體傳遞到另一個物體的能量。熱量自然地從熱的物體流向冷的物體。
- 動能
- 與運動相關的能量。
- 能量守恆定律
- 能量既不能被創造也不能被消滅；它只能從一種形式轉換為另一種形式。
- 質量和能量守恆定律
- 宇宙中物質和能量的總量是守恆的。
- 勢能
- 儲存的能量。勢能取決於物體的位移或混合物的組成。
- 功
- 作用在一段距離上的力。
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