科学小常识：能量与能源

赵泰安

　　一.能量守恒定律与势能最小原则

自然界有四大守恒定律：质量守恒、能量守恒、动量守恒和电量守恒。其中能量守恒定律表述为：

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。

下面按不同形式的能量进行分析。

1.机械能

机械能：物体动能和势能的总和称为机械能。

动能 Eₖ=(1/2)mv²

引力势能 Eₚ＝－G₀Mm/r

重力势能 Eₚ=mgh

弹性势能 Eₚ=(1/2)kx²

动能定理 W=Eₖ₂-Eₖ₁ (W为所 有 力 的功)

​ 动能守恒 Eₖ₂=Eₖ₁ (上式中W=0)

功能原理 W=(Eₖ₂+Eₚ₂)-(Eₖ₁+Eₚ₁)

(W不含重力的功)

机械能守恒定律 Eₖ₂+Eₚ₂=Eₖ₁+Eₚ₁

(上式中W=0)

​

下图为单摆，在不考虑空气阻力的情况下机械能守恒。如果小球静止，它只能停在O的位置，这时它受到合力为0，离地面最近，势能最小。

小球从C点向B点摆动过程中，如果在C点剪断摆线，小球做自由落体运动；如果在从C到O的某处剪断摆线，小球做斜下抛运动；如果在O点剪断摆线，小球做平抛运动；如果在从O到B的某处剪断摆线，小球做斜上抛运动，最后都落到地面，这时它受到合力为0，离地面距离为0，势能为0。

小球落到地面以后，机械能转换成了内能。

要说明一下“势能”是和“保守力”相关的能量，重力是保守力，因此有重力势能；重力是地球和物体之间的吸引力，因此重力势能也是地球和物体共同的能量。

从以上分析可以看出，在没有其它约束的情况下，物体总会落到地面，合力为0，使势能变得最小。

2.内能

原子核内质子带正电，核外电子带负电，因此由原子组成的分子之间即有引力，又有斥力。

两分子之间距离为某一值r₀时引力和斥力相等，合力为0；当r＜r₀时，引力小于斥力，合力大于0；当r＞r₀时，引力大于斥力，合力小于0。

分子都在运动，称为热运动，有分子动能；分子力是保守力，有分子势能。

内能：物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。

分子势能随分子间距离而变化，当r=r₀时势能最小，此时分子间合力为0。

热量：某一物理过程中转移 的 内 能 称 为 热量。

⑴物体温度升高时需要吸收热量，内能增加，体积变大；温度降低时需要放出热量，内能减少，体积缩小。

Q＝Cm△t 比热容C (J/kg•k)

⑵晶体熔解时需要吸收热量，内能增加，体积变大；凝固时 需要放出热量，内能减少，体积缩小。

Q＝λm 熔解热 λ (J/kg)

⑶液体汽化时需要吸收热量，内能增加，体积变大；液化时 需要放出热量，内能减少，体积缩小。

Q＝Lm 气化热 L (J/kg)

蒸汽机就是利用水蒸汽释放的热量转化成机械能做功的。

从以上分析可以看出，某一系统的物质在外界温度很低的情况下，它会由气体变成液体，再变成固体，继续“冷缩”，直到分子间距离变成r₀，分子力的合力为0；这一过程不断向外释放能量，达到势能最小。

热力学第一定律：在任何孤立的物质系统中，不论发生任何变化，不论能量从一种形式转化为另一种形式，或从一部分物质传递给另一部分物质，系统的总能量守恒。这是包含内能在内的能量守恒定律。

△E＝W＋Q

3.键能

键能：在标准状态(101.3 kPa、298 K)下，将1 mol气态分子完全解离为气态原子所需的能量平均值 称 为 键 能，单 位 为kJ/mol。

‌ 对于双原子分子‌：键能等于键的解离能，可直接通过实验测定，例如H-H 键 能 为436 kJ/mol；对于多原子分子‌，键能是分子中所有同类键解离能的平均值，例如NH₃分子中三个N-H键解离能的 平 均 值 为391 kJ/mol。

键长越短，键能通常越大，例如C≡C键能＞C=C键能＞C-C键能。

键能越大，成键时释放的能量越多，分子越稳定。例如 H-F键能 565 kJ/mol，高于H-Cl键能 431 kJ/mol，因此HF比HCl更稳定。

原子通过化学键结合成分子，向外释放能量，大小等于键能的负值，这个键能的负值可以理解为成键原子的“势能”。成键前“势能”为0，成键后“势能”为负，说明“势能”减少了。

从上面分析可以看出，原子结合成分子时，原子间距离越小，键长越短，键能越大，“势能”越小，越稳定。

原子结合成分子时要释放能量，这个能量是哪来的？这就需要到量子力学里找答案。根据量子力学，质量和能量是物质的两个属性，他们通过质能方程相联系。

质能方程：E=mc² △E=△mc²

原子的质量相加大于分子的质量，这个差值△m称为“质量亏损”，它所对 应 的△E就是放出的能量。就是说原子结合成分子时，能量减少了，减少的部分以热量的形式传给了其它物体，总能量不变；质量减少了，加上热量带走的那部分质量，总质量不变，能量守恒和质量守恒仍然成立。

焓：内能与压强和体积的乘积之和称为物体的焓，常用符号H表示：H=U+pV。在化学反应中，焓的变化 △H＞0代表吸热，△H＜0代表放热，Ⅰ△HⅠ=Q(反应热)。这个焓的差值通常称为化学能。焓的变化与键能的关系为：

ΔH≈∑E₁(反应物键能)−∑E₂(生成物键能)

‌例如：计算H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)的ΔH

H-H: 436 kJ/mol, Cl-Cl: 243 kJ/mol,

H-Cl: 431 kJ/mol

ΔH=436+243-2×431=-183 放热

在化学反应中，与氧气的化合反应多是放热反应，比如C+O₂=CO₂；分解反应多为吸热反应，比如2H₂O=2H₂+O₂(电解)。

燃烧放热 Q＝qm 燃烧值 q (J/kg)

4.能级

电子在原子核外运动时只能处于特定能量状态，这些离散的能量值称为能级。

‌ 核外电子按能量差异分n层，用K、L、M、N、O、P、Q表示，能量随序数n增加而升高，如 E(K) < E(L) < E(M)＜E(N) < E(O) < E(P)< E(Q)。

‌ 同一能层内电子能量进一步细分，如n能层的能级按能量递增为ns、np、nd、nf每层能级数等于能层序数，比如第三能层有3个能级：3s、3p、3d。

‌ 核外电子排布满足下列规则‌：

‌ ⑴能量最低原理‌：电子优先占据低能级轨道。

‌ ⑵泡利不相容原理‌：每个轨道最多容纳2个自旋相反的电子。

‌ ⑶洪特规则‌：电子优先单独占据同能级轨道且自旋相同，全满、半满或全空时体系更稳定。

电子在低能级轨道时称为基态，此时最稳定；电子从外界吸收的能量如果刚好等于某高能级与基态能级的能量差，则会跃迁到相应的高能级上，此时称为激发态，很快又会跃迁回基态，以光子的形式释放相应的能量。

E＝hγ＝Eₘ－Eₙ

能级是电子与原子核共有的能量，如果把它也称为“势能”，也满足电子与原子核近的时候“势能”最小，且最稳定。

　　电离能：原子或正离子失去一个电子所需的能量，称为电离能；由气态原子失去一个电子，形成气态 1 价正离子所 需 的 能量，称为第一电离能。

电离能是电子从它的基态能级跃迁到最高能级(∞)时所需的能量；当电子与离子结合，重新回到基态时会释放相同的能量。

5.原子核的结合能

原子核的结合能是将原子核分解为单个核子所需吸收的能量，或核子结合成原子核时释放的能量。

平均结合能是结合能除以核子数，表示每个核子的平均结合能量。中等核子数的原子核平均结合能最大。因此轻核聚变和重核裂变都可以释放能量。

地球与物体之间的引力势能(将重力势能0点选在无穷远处)、分子间的分子势能、原子间的键能的负值、原子核和电子间的能级及电离能、核子间的结合能的负值都是一类的能量，表现形式都是负值，就是说它们分散时能量为0，聚合时放出能量，再分散吸收能量。

　　核能是通过核反应从原子核释放的能量。

根据质能方程 E=mc² △E=△mc² 核能可通过三种核反应之一释放：

⑴核裂变，较重的原子核分裂释放结核能；

⑵核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结核能；

⑶核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。

人们直接利用的能量是物体运动的动能，化学反放的化学能，电子运动的电能，能级跃迁的辐射能(光能)，核反应的核能。

6.恒星演化过程中的能量

太阳是和宇宙中众多的天体一样，被称为主序星，它的组成元素主要是H、He等，发生H聚合成He的核反应，向外辐射能量，向外的辐射压力与向内的引力相平衡。

当H全部变成He以后，平衡打破，恒星内层向中心塌陷，温度压力升高，开始了He的聚合，继续向外辐射能量，恒星外层向外膨胀，形成红巨星。

当恒星聚合反应到达铁原素时，原子再聚成大原子就要吸收热量，恒星温度下降，原子从离子态转为原子分子态，被称为白矮星。由于恒星温度下降，体积收缩，中心压力增大，原子的电子壳层崩溃塌缩，电子被压入原子核，与质子结合形成中子，同时放出大量的能量。

白矮星不再发光时，所有的电子都被压入了原子核内，与质子结合形成中子，此时整个星体就只有中子了，被称为中子星。中子也是有壳层结构的粒子，它的壳层是由强相互作用力支持的，比电子的电磁壳层要强硬的多，抗压强度是电子壳层的数亿倍以上，中子星比白矮星密度还要大得多，中子星没有了能量来源，自身没有光可发，较大质量的中子星由于中子壳层质能锁定强刚性，不会再向内塌缩。

一般在星系中心，大量的恒星、白矮星、中子星被吸集在一起形成超级天体，不发光不发热，称为黑洞。

当黑洞的质量足够大时，内部压力超过中子结构的抗压力时，中子结构被破坏，其中心的正电子的保护结构瓦解，正、负电子相互湮灭，夸克等一切结构都被瓦解，中子将发生最彻底的质能反应，将中子全部质量转化为能量，形成黑洞大瀑发，称为类星体。

这是星系发展的最后几段，放出前所未有的巨大能量，照亮整个宇宙“视界”。再往下怎么发展？现在只能说去问上帝吧。

二.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。

能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称。是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。

能够直接用于生产生活、不排放污染物的能源称为清洁能源或绿色能源，它包括核能和“可再生能源”。

　　人们很早就利用风能，发明了帆船。

　　风能发电。

　　水力发电是用堤坝将水的势能转化成动能，再通过水轮机、发动机将水能转化为电能。

　　利用太阳能板将太阳能转化为电能。

　　火力发电是将煤、石油等燃料的化学能通过燃烧，产生热，将水变成蒸汽，推动蒸汽机或蒸汽轮机，带动发动机发电。

　　核电站。