科學：小學教師指南/能量、功、功率、熱量
它通常被描述為做功或產生化學變化的能力。地球上的能量通常來源於太陽，但地球本身也儲存著其他形式的能量，例如熱量、重力勢能，以及核能。在物理學中，能量是物體的屬性，可以轉移到其他物體或轉化為不同的形式。 "系統做功的能力"是一個常見的描述，但它具有誤導性，因為能量不一定可用作功。例如，在國際單位制中，能量以焦耳衡量，1焦耳的定義為 "機械的"，即透過將物體沿1牛頓力的方向移動1米而傳遞給物體的能量。然而，根據不同的情況，能量還有許多其他的定義，例如熱能、輻射能、電磁能、核能等，這些定義都是最方便的定義。
常見的能量形式包括運動物體的動能，物體在力場（重力場、電場或磁場）中的位置所儲存的勢能，拉伸固體物體所儲存的彈效能，燃料燃燒時釋放的化學能，光所攜帶的輻射能，以及物體溫度引起的熱能。核能存在於每個原子中，但除了在特定條件下（核反應堆、核彈）的某些元素之外，它是不可獲得的。我們的太陽不斷地從基於氫的核聚變中釋放核能，這些能量以光子和電磁波的形式到達我們。太陽的核能最終為地球上的所有生命提供能量，因為一小部分能量被植物和光合作用的浮游生物（利用光合作用）捕獲，轉化為化學能，然後透過食物鏈傳遞給動物，動物吃植物或其他動物。即使是我們的汽車和燃煤發電廠，最終也是由太陽提供的能量，因為汽油和煤炭是“化石燃料”，包含著數百萬年前古代藻類和植物生長的化學能。所有這些不同的能量形式都是可以相互轉化的。在牛頓力學中，有一個普遍的能量守恆定律，它指出能量既不能被創造，也不能被毀滅；然而，它可以從一種形式轉化為另一種形式。
目前我們主要考慮兩種能量型別：動能和勢能。兩者對科學研究都至關重要。
動能有很多形式，例如振動、旋轉和平移。一個物體具有的平移動能（以下動能將指平移動能）取決於兩個變數：物體的質量（m）和物體的速度（v）。以下等式表示物體的動能：KE = 0.5 • m • v2，其中m = 物體的質量，v = 物體的速度。
與功和勢能一樣，動能的標準度量單位也是焦耳。從上述公式可以推斷出，1焦耳等於1 kg*(m/s)2。振動
- 平移動能是指物體由於沿直線從一個地方運動到另一個地方而具有的動能。
- 旋轉動能是指物體由於繞軸旋轉而具有的動能。它也被稱為角動能。旋轉的物體具有與旋轉相關的動能，即使它的質心處於靜止狀態。
- 振動動能是指物體由於振動而具有的動能。手機在響鈴時振動，以及敲擊鼓時鼓的振動都是動能的一些例子。
動能也被稱為運動能。動能的相反是勢能。物體的動能是指物體由於運動而具有的能量。為了使物體具有動能，必須對其做功——推或拉。運動能
運動能是指物體由於運動而具有的能量。除非速度改變，否則物體獲得並保持動能。
動能的例子包括：高速向球棒飛來的棒球，以及球棒向球揮動，從懸崖上落下的石頭，在空中飛行的足球，從水壩上衝下的水，或者從山上滾下的輪子。
檢查你的理解
勢能是指儲存在物體內部的能量，它處於靜止狀態，但能夠變為活躍狀態。當物體處於靜止狀態時，它具有靜止質量勢能；如果物體處於受重力影響並可能下落的位置，則它具有重力勢能。當物體運動時，勢能轉化為動能，即運動能。
勢能也可以看作是儲存的能量。勢能的例子包括：樹木具有勢能，因為如果透過砍斷樹幹或破壞支撐它的根部使其倒下，它就會倒下；桌邊上的球具有儲存的能量，因為它有下落的潛力；拉伸橡皮筋，以及靜止的腳踏車。
重力勢能是指與重力相關的勢能，因為克服地球引力舉起物體需要做功。如果一個物體在重力場中從一個點降落到另一個點，重力將對物體做正功，重力勢能將減少相同的量。影響物體重力勢能的因素有它相對於某個參考點的高度、它的質量以及它所處的重力場的強度。
例如，考慮將一本放在桌子上的書。當書從地板上被舉到桌子上的時候，某種外力克服了重力。如果書掉回地板，書獲得的“下落”能量是由重力提供的。
Acceleration of Gravity:
32 feet/second²
Therefore:
32 ft/sec after 1 seconds
64 ft/sec after 2 seconds
96 ft/sec after 3 seconds, etc...
當物體朝地球下落時，它的下降速度會增加（假設沒有空氣阻力或其他干擾），每秒增加 32 英尺（通常表示為 9.8 米/秒2）。
內能是指物質本身所包含的能量（不是物體的動能或重力勢能，而是原子本身和原子之間固有的能量）。最常見的是，內能指的是熱量，因為熱量很容易測量，並且很容易在質量之間傳遞。熱量是由於系統粒子運動而產生的微觀動能。如果你在爐子上加熱一個鍋，原子的質子和中子振動得更快，電子也移動得更快。如果你冷卻物質，原子粒子移動得越來越慢。絕對零度被定義為亞原子運動停止的點，達到 -273.15 °C、-459.67°F、0°K（我們可以透過實驗將事物冷卻到非常接近這個溫度，但不能完全達到絕對零度）。
其他內能包括將原子結合在一起的化學鍵，以及將質子和中子結合在原子核內的強核力。這種強核力實際上解釋了原子內大部分的質量——記住，質量和能量透過愛因斯坦的相對論聯絡在一起，我們從中得知能量 (E) 等於質量 (m) 乘以光速的平方 (c2)。釋放強核力中的能量是很難的——當我們釋放這種能量時，我們稱之為核反應。當你拿起一塊石頭時，由於重力存在著勢能；可能存在動能（如果你正在拋它），但石頭的能量大部分是內能，它幾乎完全無法獲取，只會停留在石頭的原子內。如果你擁有一個可以釋放所有能量的超能力，那麼每一塊石頭都會是一顆小型核彈！（當然，你會使用你的超能力來從水分子聚變中發電！對吧？)
能量守恆定律指出能量既不能被創造也不能被消滅。能量只能從一個地方轉移到另一個地方，從一種形式轉化為另一種形式，但能量的總量不會改變。雖然能量的總量保持不變，但它卻不斷地從一種形式轉化為另一種形式。如果這種轉化不能發生，植物就不能從營養物質和陽光中製造食物，你不能從食物中生長，你也不能將汽油中的能量轉化為汽車的運動。
例如：https://qph.ec.quoracdn.net/main-qimg-8eedb3a29f15e62f0835bf957cc926bc.webp
愛因斯坦著名的方程式 E=mc² 將質量和能量的性質聯絡在一起。在我們日常生活中這一點並不明顯——質量和能量似乎不是同一事物的兩種表達方式。在日常生活中，能量不斷地從一種形式轉化為另一種形式（電能轉化為光能，化學能轉化為運動能，等等），但我們並沒有看到質量轉化為能量。這種情況可以發生，但只有在特殊情況下才會發生。創造這些條件是原子彈和核電站存在的可能。
讓我們更仔細地研究一下。
Einstein's equation is E=mc²
E=energy; m=mass; c=speed of light squared (186,00 miles/sec*186,00 miles/sec)
你會注意到 c² 是一個非常大的數字！如果我們使用公制數字，以下是將 1 千克質量（2.2 磅）轉化為另一種形式的能量的計算結果：E/m = c² = (299792458 m/s)² = 89875517873681764 J/kg (≈ 9.0 × 1016 焦耳/千克) 這相當於 6.95 億加侖汽油或 250 億千瓦時的電力！
當一個人談論工作時，大多數普通人會想到城市工作，比如快餐店，或者作為清潔工來清潔當地的高中。這都很好，但對於那些即將成為科學家的學生來說，“工作”的意義完全不同。在這種情況下，功是指對物體施加力以改變該物體狀態。這可能是將物體移到另一個地方，用不同的顏色粉刷物體等等。
現在這並不是說所有施加的力都算作功。舉個例子，足球隊中的一個學生。他正在努力地將啞鈴推到球場周圍。這是功，因為學生正在對啞鈴施加力量，啞鈴被移動了。把同一個學生放在牆上，告訴他推牆。雖然他正在對牆施加力量，但此時並沒有做功，因為牆沒有移動，也沒有發生任何明顯的變化。
熱量
我們經常在日常生活中使用“熱量”一詞。我們到處都能聽到和感覺到它。例如，當我們在外面時，我們會說“我能感覺到外面的熱量”。當我們聽到“熱量”這個詞時，首先想到的可能是熱的感覺，或者想象自己大量出汗。但是熱量的主題超出了這個範圍。物質內部的總能量是它的熱能，因為它是分子的運動。熱量是熱能從一個物體轉移到另一個物體的過程。
熱量和能量相互關聯，因為熱能是一種動能。它是分子的運動，但我們看不見它們。但我們可以透過溫度的影響來感覺到它。此外，每當能量從一種形式轉化為另一種形式時，一些能量（事實上，有時大部分能量）會轉化為無用的、無組織的熱量（例如，將電能轉化為光能會導致燈泡發熱；將汽油的化學能轉化為汽車運動的動能會產生大量的熱量，需要汽車的散熱器和冷卻系統）。
“溫度”是指分子運動的速度快慢。 分子運動越快，溫度就越高，分子運動越慢，溫度就越低。“冷”實際上不是一種能量形式，而只是一個描述熱能非常低的條件的術語。當你觸控冰冷的東西時，你正在將你的身體的熱能轉移到物體中（從技術上講，如果你在頭上放一個冰袋，冰袋並沒有讓你涼下來——你是在加熱它！當然，在加熱冰袋的過程中，你的身體會散發出熱量，所以你會變涼，但這並不是說寒冷進入了你，而是熱量移出了你）。
溫度和熱能不是一回事。溫度是衡量分子動能的指標（原子粒子振動或旋轉的速度），而熱能是指物質的總熱量。一個簡單的理解方式是，如果你做了一大鍋湯，然後舀了一點湯到碗裡。如果你用溫度計測量，你會發現碗裡的湯和鍋裡的湯溫度相同。然而，鍋裡的熱能要多得多。你可以透過考慮冷卻一碗湯和一鍋湯所需的能量來驗證這一點。如果你鍋裡的湯比碗裡的多10倍，那麼你的冰箱需要做10倍的工作來冷卻鍋裡的湯，而不是冷卻碗裡的湯。因此，熱能是溫度和質量的綜合結果。
任何影響分子運動的東西都會影響溫度
- 摩擦
例如：摩擦雙手，或者機器中機械部件相互滑動
- 壓力
例如：氣體壓縮（給腳踏車輪胎充氣，然後感受氣泵），溜冰鞋的刀刃（溜冰者施加的壓力會融化刀刃下方的薄冰層，減少摩擦，從而使滑行更容易）
- 撞擊
例如：錘子敲擊金屬（用錘子用力敲擊某物，然後感受它的溫度）
- 化學反應（放熱反應）
例如：燃燒木材、煤炭、天然氣、石油等
太陽能
- 來自太陽
- 地球上所有能量的主要來源
- 核聚變
- 以光的形式到達地球，但也包括電磁波譜的其他部分
核能
- 聚變 = 合併 2 個原子形成一個更大的原子
- 裂變 = 將一個原子裂解成 2 個或更小的原子
熱傳遞
- 傳導是指透過物理接觸將熱能從一種物質傳遞到另一種物質的過程
- 對流是指透過移動的液體或氣體傳遞熱能的過程，因為它需要移動的分子，對流不能在太空中發生。
- 輻射是指透過電磁波傳遞熱能的過程。
絕緣是指材料可以減緩或阻止熱量傳導的過程。
一些常見的絕緣材料包括木材、玻璃、橡膠、真空。
傳導
傳導被定義為分子碰撞的過程，透過物質將熱能從一個分子傳遞到另一個分子。由於分子一直在運動，這會導致它們相互碰撞。當分子被激發或從其他分子中獲取能量時，它們移動得更快。分子包含熱能，當它們以更高的速度撞擊其他分子時，動能就會傳遞給另一個分子。這種能量會產生連鎖反應，一直持續下去（在室溫下的水杯中，單個分子以許多不同的速度運動 - 換句話說，並非每個分子的溫度都相同；一些快速移動的分子透過蒸發離開剩餘的水）。傳導的一個常見例子是將鍋放在爐子上 - 爐子線圈的熱量與鍋的直接接觸導致熱能傳遞到鍋中。
通常情況下，熱傳導性好的材料也是良好的導電體。示例包括
- 銅
- 銀
- 鐵
- 鋁
- 鋼
對流
對流被定義為能量在能量透過移動的液體和氣體時傳遞的過程。熱量會導致分子移動得更快，從而導致物質膨脹並擴散得更遠，從而導致密度降低。如果空氣變暖，被加熱的部分就會膨脹；由於分子彼此之間距離更遠，這種加熱的氣體比周圍的冷空氣輕，因此會上升。由溫差引起的流體運動被稱為“對流”。這些氣流在某種程度上是洋流和大氣風的原因。對流氣流不能在空曠的真空中發生，因為它涉及移動的空氣分子或其他成分（Yeti 杯由金屬製成，是良好的熱導體，但兩層之間是真空空間，這種真空阻止熱能傳遞在杯子內外層之間）。也許你曾經在爐子上加熱湯的時候想過，導致湯在某些地方上升的對流氣流看起來像微型火山。這是一種很好的見解 - 真實的火山是地球地殼下緩慢對流氣流的一部分！
輻射
輻射被定義為透過電磁波傳遞能量的過程，是另一種傳遞熱量的方式。該過程不依賴於移動的分子，電磁波可以在真空中移動（謝天謝地！否則來自太陽的能量將無法穿過太空真空到達我們！）。當我們想到熱輻射時，我們通常會想到太陽。太陽透過太空輻射出大量的能量。太陽的能量非常強大，即使只有十億分之一二進入地球大氣層，這也足以滿足我們星球對能量的需求。
當太陽光等輻射能到達固體不透明物體時，能量會自動被消耗，導致分子以更快的速度移動，因此物體變暖。深色物體比淺色物體吸收更多的輻射能。空氣被來自這些物體表面的熱量加熱，在較大的範圍內，這會產生風。輻射能的另一個例子是當你站在寒冷的夜晚的火爐附近。如果你用溫度計測量你正前方和正後方的空氣，你會發現它們的溫度幾乎相同，所以你從火爐獲得的熱量很少透過對流氣流（大部分被加熱的空氣直接向上，而不是擴散）。除非你把手直接放在火上或放在火爐旁邊的石頭上，否則你不會透過傳導獲得熱量。但是，你面向火爐的那部分會接收大量的輻射熱（如果你真的冷，你會不斷地轉動身體，給身體的不同部位加熱）。部分熱量產生光，部分熱量存在於電磁波譜的其他部分，尤其是紅外光波。軍隊使用熱成像來觀察紅外線，這使得“熱敏”護目鏡能夠讓即使是偽裝得很好的物體也能顯現出來。
熱量問題
[edit | edit source]- 熱量是如何透過傳導傳遞的？
- 什麼是對流？
- 熱量是如何透過輻射傳遞的？
- 溫度和熱能有什麼區別？
- 說出良好的導電體。
測驗
[edit | edit source]試試這個快速測驗，測試你透過閱讀本章學到了什麼！