能量，转化，效率

目前而言，对于能量最常见的定义是“做功的能力”。这种表述很简单，但其含义却深刻得多。为了清楚地理解能量的这一定义，我们不能将做功仅仅想象为机械作用(9)，而应从广义的角度将其视为受影响的系统(10)中所有会导致变化(11)的过程。

如果在接下来的10分钟里，你只是静坐在一间安静的房间内，也就是说表面上看你没有做任何功，狭义地说，你没有通过身体在某个机械任务上施加力。但即便如此，你身体的新陈代谢仍在大量做功，因为从消化的食物中获取的能量会为你的呼吸（吸入氧气和呼出二氧化碳）提供动力，将你的体温保持在37 ℃左右，促进血液循环，以及产生消化过程和神经系统传输信息等身体功能所需的各种酶。需要注意的是，以上这些是人体中的四大关键过程。当你在努力思考一个抽象概念时，实际上你消耗的能量还会相对多一些，但是在你的大脑中，所有这些额外神经连接的新增过程所需的能量其实微不足道。即使你在熟睡时，你的大脑所消耗的能量也会占据身体新陈代谢的20%左右，而对于非常费神的脑力活动而言，其消耗的能量也只比这一比例大一点点而已。

另外，各种能量都会以各自不同的形式做功。例如，击穿夏季天空的闪电，其做功方式与巨型港口起重机从码头上抓起大型钢箱然后将它们高高地堆放在集装箱船上的做功方式有很大不同——这种差异产生的原因来自一大基础物理现实：能量以多种形式存在，而且能以不同的方式进行转化。从星系层面到亚原子层面，从生物演化的漫长时间到瞬息即逝的短暂时间，能量及其转化过程存在于不同的时间和空间尺度上。闪电的做功过程持续时间不到一秒，但会照亮和加热周围的空气，并分解氮气分子，在这个过程中，云与云或云与地之间放电的电能转化为电磁能、热能和化学能。而集装箱港口堆垛起重机的电动机则夜以继日地做功，将电能转化为机械能和被装载货物的势能。

19世纪的物理学家认为能量不是一种容易定义的单一存在形式，而是一种涵盖多种自然和人为现象的抽象的集合概念。这些现象最常见的形式有热（热能）、运动（动能或机械能）、光（电磁能）以及燃料和食物中的化学能。其中某些能量之间的转化是生命得以存在的基础：光合作用会将光的一小部分电磁能变成细菌和植物的化学能，而烹饪和加热则是将生物质如木材、木炭、稻草或化石燃料如煤、石油、天然气中的化学能转化为热能（见表1-1）。另外，还有一些能量转化过程给我们带来了极大的便利：电池中化学能向电能的转化驱动着数十亿台手机、音乐播放器和收音机。还有一些能量转化则很罕见，例如，将电磁能转化为核能的伽马-中子反应只会应用在特定的科学和工业任务中。

表1-1　各种能量形式及其相互间的转化方式

所有运动的物体都有动能，不管它们是由贫化铀制成的沉重穿甲弹壳，还是在热带雨林上空腾起的稀疏云朵。我们既可以轻松地感知动能产生的效果，也能轻易地计算出动能（Ek）的大小，因为它等于运动物体的质量（m）与其速度（v）的平方之积的一半，即。需要说明一点，由于物体的动能与其速度的平方成正比，所以速度翻倍会导致动能变成原来的4倍；而当速度变为原来的3倍时，动能则会变为原来的9倍。因此，当速度很快时，即使很小的物体也可能变得非常危险。速度超过80 m/s（约为290 km/h）的龙卷风能将轻如鸿毛的稻草屑插入树干；以8 000 m/s的速度飞行的太空碎片，比如一个丢失的螺栓，能够穿透在太空行走的宇航员的加压服；而以60 000 m/s的速度飞行的微流星体(12)足以摧毁一艘太空船。

势能源自物体或其结构在空间中位置的变化。引力势能源自物体在地球重力场中的位置变化，这种势能是无处不在的：任何位置升高的物体都会获得重力势能，比如上升的水蒸气、举起的手、高翔的鸟或飞升的火箭。重力势能的一大实际应用是水力发电，即让蓄在大坝背后的水下落到涡轮机叶片上来产生电能。这种发电方式经济效益显著，全世界近20%的电力都是通过这种方式获取的。大坝所蓄的水或斜坡上不稳定的风化了的石头的重力势能等于其高出地面的质量（m）、其高出地面的平均高度（h）及引力常量（g）这三者的乘积，即Ep=mgh。弹性势能是另一种势能，扭动而绷紧的发条就是一种常见的弹性势能的例子。弹性势能可通过形状的变化来进行存储，而在发条线圈变回松弛状态时，弹性势能会被释放并做有用功，比如驱动钟表或会动的玩具。

生物质（biomass）(13)和由死后的生物体转化而成的化石燃料中含有大量的化学能，这种能量保存在生物组织和燃料的化学键中，可以通过燃烧即快速氧化发生放热反应产生热能。这个过程会形成新的化学键，生成二氧化碳，另外通常还会释放出氮，并排放出硫氧化物，如果燃烧的是液体或气体燃料，还会产生水。

热能

燃烧的热能即比能（specific energy）(14)等于初始反应物中的键能与新形成的化合物中的键能的差。最差的燃料如湿泥煤、湿稻草燃烧所释放的热能还不到汽油或煤油燃烧所释放热能的1/3。通过在热量计(15)中燃烧燃料、食物或其他任何可燃物质的绝对干燥的样品，可以确定这些物质中的能量含量。除了燃烧，其他很多能量转化过程都会产生热能。核裂变产生的热能常被用来发电，电流流过电阻时产生的热能常被用来烹煮食物、烧水或室内取暖。另外，摩擦也会产生很多我们不想要却无法避免的热能，比如在汽车变速箱中产生的热能以及汽车轮胎和道路之间摩擦所产生的热能。

热能产生之后会进行传递，而传递的方式有三种：传导、对流和辐射。热传导是通过分子之间的直接接触实现的，最常见于固体之间；热对流是指热能通过运动的液体或气体传递；热辐射则是指当物体的温度高于环境温度时会发出电磁波。地球表面、植物、建筑物和人在环境温度中会产生不可见的红外辐射，而超过1 200 ℃的高温物体则会以可见光的形式辐射热能，比如灯泡中盘绕的钨丝、电弧炉中的钢水以及遥远的恒星等。

潜热（latent heat）是指在没有温度变化时，实现物理状态的某种变化所需的能量。例如，将100 ℃的水变成水蒸气所需的能量（蒸发的潜热）刚好比0 ℃的冰变成水所需的能量多6.75倍。

对水进行加热时，燃料的总热值(16)（即高位热值）减去其净热值（即低位热值）的差的大部分都会被水吸收。高位热值是指一定量的燃料完全燃烧所生成的水蒸气完全冷凝为液态时所释放的总能量，其中包含汽化的热能；低位热值则要在此基础上减去燃烧过程中生成的水汽化所需的能量。焦炭的这两种热值相差约1%，因为焦炭基本上就是纯碳，其燃烧时只生成二氧化碳；天然气的这两种热值相差约10%；纯氢气燃烧只会生成水，它的这两种热值相差近20%；新鲜木材（湿木材）含有的水分过多，有些含水量甚至超过75%，因此，燃烧这类木材时释放的大部分热能都会被用来蒸发水，而不是使房间变暖，而且，如果湿木材中的水分含量超过67%，那么根本就无法被点燃。

能量的转化效率很容易理解，即可获得输出与初始输入之比。不同的能量转化过程的效率不同。有的能量转化过程效率极低，如光合作用：在每年射向农田的太阳能辐射中，即使最高产的农作物也只能将其中4%～5%的能量转化为新的植物量，而全球年平均光合作用效率仅为0.3%，因为很多植物常受到低温或缺乏水分等问题的影响。如果将初始输入限定为光合有效辐射（photosynthetically active radiation）(17)，则有用的能量传递效率会翻一倍，但在全球范围内，这一数值仍然低于1%。低效的能量转化意味着能量损失很大，也就是说，原始能量中仅有非常少的一部分会被转化为人们所需的服务或产品，根据热力学第一定律，在这个过程中能量不会消失，而热力学第二定律则表明这些辐射中的很大一部分能量最终会变成无用的分散的热能。

相比之下，能量转化效率超过90%的过程、设备和机器也不少。沿踢脚板铺设的电阻式加热器能以100%的效率将电能转化为热能；膳食均衡的健康人类能以高达99%的效率消化糖和淀粉等碳水化合物；最好的天然气暖炉能以95%～97%的效率将输入燃料的化学能转化为房间中的热能；大型电动机能将超过95%的电能转化为快速旋转的动能；热力发电站中的巨型涡轮机更是能以高达99%的效率将在磁场中旋转物体的机械能转化为电能。

从离我们最近的恒星发出的刺眼光线到从故障核反应堆逸出的难以察觉却致命的电离辐射，从火箭发动机中的高温燃烧到在环境温度和压力下发生的复杂精妙的酶促反应，能量有着千差万别的表现形式。尽管如此，所有的能量现象的量化都可借助少量通用单位来实现。虽然世界各地的人们在日常生活中依然会用传统方式度量能量，但现代科学和工程学所应用的度量指标都是基于1960年启用的国际单位制(18)。本书只会使用适当的国际单位制单位，本章后半部分会给出本书所用单位的完整列表以及用来表示倍数和分数的词头。

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