高中化学/能量

就像物质一样，能量是我们每个人都熟悉并在日常生活中使用的。在长时间远足之前，你会吃一个能量棒；每个月都会支付能量账单；在电视上，政客们争论能量危机。但是你有没有想过能量到底是什么？当你将灯插入电源插座时，你会看到以光形式出现的能量，但当你将电热垫插入同一个插座时，你只感觉到温暖。当你吃一碗意大利面时，它提供的能量帮助你一整天都保持正常运转，但当你吃五碗意大利面时，其中一些能量会转化为身体脂肪。

如果你停下来思考，能量非常复杂。尽管如此，我们还是用能量来完成我们所做的一切，从我们醒来那一刻到我们睡觉的那一刻，甚至在我们睡觉时，我们的身体也在利用能量来做一些事情，比如生长骨骼。没有能量，我们就无法打开灯，无法刷牙，无法制作午餐，也无法去上学。虽然我们每个人都使用能量，但很少有人了解我们如何使用它。

课程目标

定义热量和功。
区分动能和势能。
什么是化学势能。
说明物质和能量守恒定律。

做功或产生热量的能力

当我们谈论使用能量时，我们实际上指的是将能量转移到另一个地方。当你使用能量来投球时，你将能量从你的身体转移到球上，这导致球在空中飞行。当你使用能量来给房子供暖时，你将能量从炉子转移到家里的空气中，这导致你房子里的温度升高。虽然能量在许多不同类型的环境中使用，但所有这些使用都依赖于能量以两种方式之一进行转移。能量可以以热量或功的形式转移。不幸的是，“热量”和“功”都是常见的词，所以你可能认为你已经知道它们的意思。在科学中，“热量”和“功”这两个词有非常具体的定义，与你可能期望的有所不同。不要将“热量”和“功”这两个词的日常意义与科学意义混淆。

当科学家谈论热量时，他们指的是由于温度差而从温度较高的物体转移到温度较低的物体的能量。热量将从热物体流向冷物体，直到两者最终达到相同的温度。当你用金属锅烹饪时，你会看到能量以热量的形式转移。最初，只有炉子元件是热的——锅和锅里的食物是冷的。因此，热量从热的炉子元件转移到冷锅。过了一会儿，足够的热量从炉子转移到锅，提高了锅及其所有内容物的温度（图 1.23）。

我们都观察到热量从热物体转移到冷物体，但你可能想知道能量实际上是如何传播的。只要物体是热的，物体内部的分子就会剧烈地振动和振动。物体越热，分子就越剧烈地晃动。正如你将在下一节中学到的那样，任何运动的东西都有能量，它运动得越多，它拥有的能量就越多。热物体有大量的能量，当两者接触时，正是这种能量被转移到较冷的物体。可视化热量传递的最简单方法是想象多米诺骨牌效应。

热量正在从热物体转移到较冷的物体。详细说明：a. 当热物体中的红色分子振动和振动时，它们会撞击一些较冷物体中的蓝色分子。这将能量从热分子转移到较冷的分子，导致这些分子振动得更快。b. - d. 就像多米诺骨牌一样，热量沿着链传递，直到能量在所有分子之间均匀分布。

仔细观察右边的图。当热物体的振动分子撞击较冷物体的分子时，它们会转移一些能量，导致较冷物体中的分子也开始剧烈振动。当这些分子振动时，它们会撞击它们的邻居，并将一些能量传递下去。这样，能量通过整个系统传递，直到所有分子都具有大致相同的能量，并且初始物体处于相同的温度。

热量只是能量可以转移的一种方式。能量也可以以功的形式转移。功的科学定义是力（任何推力或拉力）在距离上应用。只要你推动物体并使其移动，你就做了功，你就将一些你的能量转移到物体上。此时，重要的是要提醒你一个常见的误解。有时我们认为所做的功的数量可以通过所付出的努力的数量来衡量。这在日常生活中可能是真的，但在科学中并非如此。根据定义，科学工作要求力在距离上施加。你推得多用力或拉得多用力并不重要。如果你没有移动物体，你就没有做任何功。

到目前为止，我们已经讨论了能量可以从一个地方或物体转移到另一个地方的两种方式。能量可以以热量的形式转移，能量也可以以功的形式转移。但问题仍然存在——能量是什么？我们将在下一节尝试至少部分解决这个问题。

能量类型：动能和势能

机器使用能量，我们的身体使用能量，能量来自太阳，能量来自火山，能量引发森林大火，能量帮助我们种植食物。有了所有这些看似不同的能量类型，很难相信实际上只有两种不同的能量形式——动能和势能。动能是与运动相关的能量。当物体运动时，它具有动能。当物体停止运动时，它没有动能。虽然所有运动的物体都具有动能，但并非所有运动的物体都具有相同的动能。物体具有的动能由它的质量和速度决定。物体越重，运动速度越快，它拥有的动能就越多。

动能非常常见，并且很容易在我们周围的世界中找到它的例子。有时我们甚至试图捕获动能并用它来为我们的家用电器供电。如果你来自加利福尼亚州，你可能在莫哈韦附近的 Tehachapi 山口或索拉诺县的蒙特祖马山地穿过，并看到排列在山坡上的风车（图 1.24）。这些是北美最大的两个风电场。当风沿着山坡吹过时，移动的空气粒子的动能使风车转动，捕获风的动能，以便人们可以在他们的房屋和办公室中使用它。

捕获动能可能非常有效，但如果你仔细思考，你会意识到有一个小问题。动能只有在物体运动时才可用。当风在吹的时候，我们可以使用它的动能，但当风停止吹的时候，就没有动能可用。想象一下，试图使用风的动能来为你的电视机供电是什么样的。你可以在刮风的日子打开电视观看你最喜欢的节目，但每次风停止吹的时候，你的电视屏幕就会闪烁并关闭，因为它会耗尽能量。你可能只能观看大约一半的剧集，你永远不知道发生了什么！

当然，当你打开电视或打开灯时，你通常可以指望它们有持续的能量供应。这主要是因为我们不只依赖动能来获取能量。相反，我们使用能量的另一种形式——我们使用势能。势能是储存的能量。它是直到我们选择使用它才会释放出来的能量。想想手电筒里的电池。如果你一直开着手电筒，电池会在几个小时内耗尽能量，你的手电筒就会没电。但是，如果你只在需要的时候使用手电筒，并在不需要的时候关掉它，电池可以使用几天甚至几个月。电池包含一定量的能量，它可以为手电筒供电一定时间，但由于电池储存的是势能，你可以选择一次性使用所有能量，也可以保存能量，一次只使用少量。

任何储存的能量都是势能。不幸的是，能量储存的方式有很多，这使得势能难以识别。一般来说，物体具有势能是因为它相对于另一个物体的位置。例如，当你用手举起一块岩石在地球上方时，它具有势能，因为它的位置相对于地面。你可以看出这是势能，因为只要你用手举着岩石，能量就会储存起来。然而，一旦你松开岩石，储存的能量就会释放出来。

还有其他常见的势能例子。山顶上的球储存着势能，直到它被允许滚到山底。当你把两个磁铁靠近彼此时，它们也会储存势能。然而，对于某些势能的例子来说，很难看出“位置”是如何参与的。在化学中，我们经常感兴趣的是所谓的化学势能。化学势能是储存在构成物质的原子、分子和化学键中的能量。这如何取决于位置？

如你之前所学，世界以及其中的所有化学物质都是由原子和分子组成的。它们储存着取决于它们彼此之间相对位置的势能。当然，你无法看到原子和分子。尽管如此，科学家确实对原子和分子相互作用的方式有了很多了解，这使他们能够弄清楚特定数量（如一杯或一加仑）的特定化学物质（图 1.25）中储存了多少势能。不同的化学物质具有不同的势能，因为它们由不同的原子组成，而这些原子彼此之间的位置不同。

由于不同的化学物质具有不同的势能，科学家有时会说势能不仅取决于位置，还取决于组成。组成影响势能，因为它决定了哪些分子和原子最终彼此相邻。例如，一杯纯水的总势能与一杯苹果汁的总势能不同，因为一杯水和一杯苹果汁是由不同数量的不同化学物质组成的。

在这一点上，你可能想知道化学势能到底有多有用。如果你想释放储存在悬在空中物体中的势能，你只需把它掉下来。但是你如何从化学物质中获得势能？这其实并不难。你利用了不同的化学物质具有不同数量的势能这一事实。如果你从具有大量势能的化学物质开始，并允许它们发生反应，形成具有较少势能的化学物质，那么一开始存在于化学物质中但在最后不存在的所有额外能量都会释放出来。

物质守恒定律和能量守恒定律

到目前为止，我们已经讨论了能量如何以动能或势能的形式存在，以及能量如何以热量或功的形式传递。虽然了解动能和势能之间的区别以及热量和功之间的区别很重要，但事实是，能量一直在发生变化。动能不断地转化为势能，而势能不断地转化为动能。同样，以功的形式传递的能量可能稍后以热的形式传递，而以热的形式传递的能量可能稍后用于做功。

即使能量可以改变形式，它仍然必须遵循一个基本定律——能量既不能创造也不能毁灭，它只能从一种形式转化为另一种形式。这个定律被称为能量守恒定律。在很多方面，能量就像金钱。你可以用硬币换纸币，用纸币换硬币，但是无论你转换多少次，你最终拥有的钱都不会比你最初拥有的多或少。同样，你可以用现金或信用卡转账（或消费）钱，但你仍然消费相同的金额，商店仍然赚取相同的金额。

事实证明，能量守恒定律并不是完全正确。如果你回想一下，你会记得能量和物质实际上是可以相互转换的。换句话说，能量可以被创造（从物质中产生）和毁灭（转化为物质）。因此，能量守恒定律已经被修改为物质守恒定律和能量守恒定律。这个定律指出，宇宙中物质和能量的总量是守恒的（不会改变）。

这是你将要学习的最重要的定律之一。然而，在化学中，我们很少关心将物质转化为能量或能量转化为物质。相反，化学家主要处理将一种形式的物质转化为另一种形式的物质（通过化学反应）以及将一种形式的能量转化为另一种形式的能量。

**图 1.26**：热气球将热量形式的能量从火焰传递到气球中的空气粒子。热气球的设计将这种能量从热量转化为功。

让我们看几个例子，其中动能被转换为势能，反之亦然。还记得威尔·E·考约特拿着他准备从悬崖上扔下来的铁锤吗？只要威尔·E·考约特拿着铁锤，等待着路易兔，铁锤就储存着势能。然而，当威尔·E·考约特放下铁锤时，最初储存在铁锤中的势能转化为动能。铁锤坠落得越远，坠落速度越快，铁锤的势能转化为动能就越多。

相反，当你在空中扔球时，就会发生这种情况。当球离开你的手时，它具有很大的动能，但当它在空中越飞越高时，动能会转化为势能。最终，当所有的动能都转化为势能时，球就完全停止运动，并在空中停留片刻。然后球开始向下落，势能再次转化为动能。

正如动能和势能可以相互转换一样，功和热也可以相互转换。想想热气球（图 1.26）。为了使热气球运行，气球底部的一个火焰被用来将热量形式的能量从火焰传递到气球内部的空气分子。然而，这种热量传递的全部目的是捕捉热量并将它转化为使气球升入空中的功。热气球的巧妙设计使得热量向功的转换成为可能。

课程总结

无论何时我们使用能量，我们都会将能量从一个物体传递到另一个物体。能量可以通过两种方式传递——作为热量或作为功。
热量是指由于物体之间温度差而从一个较热物体传递到一个较冷物体的能量。
功是指由于施加在一定距离上的力而传递的能量。
能量以两种根本不同的形式存在——动能和势能。
动能是运动的能量。
势能是储存的能量，它取决于物体相对于另一个物体的位置。
化学势能是一种特殊的势能，它取决于不同原子和分子彼此之间相对的位置。化学势能也可以被认为取决于化学组成。
能量可以从一种形式转化为另一种形式。
宇宙中物质和能量的总量是守恒的。

复习题

将以下各项归类为主要以热量传递的能量或主要以功传递的能量
(a) 你用身体将能量传递给购物手推车，当你推动购物手推车沿着过道走时。

(b) 当你去冲浪时，波浪将能量传递给你的冲浪板。

(c) 当你用篝火烤热狗时，火焰将能量传递给你的热狗。
判断以下每个陈述是真还是假
(a) 当热量传递给物体时，物体就会冷却。

(b) 无论何时你提高物体的温度，你都在做功。

(c) 无论何时你通过施加力来移动物体，你都在做功。

(d) 无论何时你对物体施加力，你都在做功。
按做功量由小到大排列以下场景
(a) 你对一块巨石施加了 100 牛顿的力，并成功地将其移动了 2 米。

(b) 你对一块巨石施加 100 牛顿的力，成功地将其移动了 1 米。

(c) 你对一块巨石施加 200 牛顿的力，成功地将其移动了 2 米。

(d) 你对一块巨石施加 200 牛顿的力，但无法移动它。
在科学中，真空被定义为绝对不包含任何物质（没有分子、原子等）的空间。能量可以通过真空以热的形式传递吗？为什么或为什么不？
将以下每种能量归类为动能或势能
(a) 巧克力棒中的能量。

(b) 用于旋转涡轮机或水轮的奔流水的能量。

(c) 滑冰者在冰面上滑行的能量。

(d) 拉伸橡皮筋中的能量。
确定以下哪个物体具有更大的动能
(a) 一个以 6 英里/小时的速度奔跑的 200 磅重的男人或一个以 3 英里/小时的速度奔跑的 200 磅重的男人。

(b) 一个以 7 英里/小时的速度奔跑的 200 磅重的男人或一个以 7 英里/小时的速度奔跑的 150 磅重的男人。

(c) 一个以 5 英里/小时的速度奔跑的 400 磅重的男人或一个以 3 英里/小时的速度奔跑的 150 磅重的男人。
一辆汽车和一辆卡车以相同的速度沿着高速公路行驶。
(a) 如果汽车重 1500 公斤，卡车重 2500 公斤，哪个动能更大，汽车还是卡车？

(b) 汽车和卡车都将汽油中储存的势能转化为运动的动能。你认为哪一个使用更多的汽油来行驶相同的距离，汽车还是卡车？
你在烧杯中混合两种化学物质，并注意到当化学物质发生反应时，烧杯变得明显更冷。哪种化学物质具有更多的化学势能，反应开始时存在的化学物质还是反应结束时存在的化学物质？

词汇

化学势能: 储存在物质的原子、分子和键中的势能。
力: 任何推或拉。
热: 由于温度差异而从一个物体传递到另一个物体的能量。热量自然地从热的物体流向冷的物体。
动能: 与运动相关的能量。
能量守恒定律: 能量既不能被创造也不能被消灭；它只能从一种形式转换为另一种形式。
质量和能量守恒定律: 宇宙中物质和能量的总量是守恒的。
势能: 储存的能量。势能取决于物体的位移或混合物的组成。
功: 作用在一段距离上的力。

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