科学：小学教师指南/能量、功、功率、热量
它通常被描述为做功或产生化学变化的能力。地球上的能量通常来源于太阳，但地球本身也储存着其他形式的能量，例如热量、重力势能，以及核能。在物理学中，能量是物体的属性，可以转移到其他物体或转化为不同的形式。 "系统做功的能力"是一个常见的描述，但它具有误导性，因为能量不一定可用作功。例如，在国际单位制中，能量以焦耳衡量，1焦耳的定义为 "机械的"，即通过将物体沿1牛顿力的方向移动1米而传递给物体的能量。然而，根据不同的情况，能量还有许多其他的定义，例如热能、辐射能、电磁能、核能等，这些定义都是最方便的定义。
常见的能量形式包括运动物体的动能，物体在力场（重力场、电场或磁场）中的位置所储存的势能，拉伸固体物体所储存的弹性能，燃料燃烧时释放的化学能，光所携带的辐射能，以及物体温度引起的热能。核能存在于每个原子中，但除了在特定条件下（核反应堆、核弹）的某些元素之外，它是不可获得的。我们的太阳不断地从基于氢的核聚变中释放核能，这些能量以光子和电磁波的形式到达我们。太阳的核能最终为地球上的所有生命提供能量，因为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）捕获，转化为化学能，然后通过食物链传递给动物，动物吃植物或其他动物。即使是我们的汽车和燃煤发电厂，最终也是由太阳提供的能量，因为汽油和煤炭是“化石燃料”，包含着数百万年前古代藻类和植物生长的化学能。所有这些不同的能量形式都是可以相互转化的。在牛顿力学中，有一个普遍的能量守恒定律，它指出能量既不能被创造，也不能被毁灭；然而，它可以从一种形式转化为另一种形式。
目前我们主要考虑两种能量类型：动能和势能。两者对科学研究都至关重要。
动能有很多形式，例如振动、旋转和平移。一个物体具有的平移动能（以下动能将指平移动能）取决于两个变量：物体的质量（m）和物体的速度（v）。以下等式表示物体的动能：KE = 0.5 • m • v2，其中m = 物体的质量，v = 物体的速度。
与功和势能一样，动能的标准度量单位也是焦耳。从上述公式可以推断出，1焦耳等于1 kg*(m/s)2。振动
- 平移动能是指物体由于沿直线从一个地方运动到另一个地方而具有的动能。
- 旋转动能是指物体由于绕轴旋转而具有的动能。它也被称为角动能。旋转的物体具有与旋转相关的动能，即使它的质心处于静止状态。
- 振动动能是指物体由于振动而具有的动能。手机在响铃时振动，以及敲击鼓时鼓的振动都是动能的一些例子。
动能也被称为运动能。动能的相反是势能。物体的动能是指物体由于运动而具有的能量。为了使物体具有动能，必须对其做功——推或拉。运动能
运动能是指物体由于运动而具有的能量。除非速度改变，否则物体获得并保持动能。
动能的例子包括：高速向球棒飞来的棒球，以及球棒向球挥动，从悬崖上落下的石头，在空中飞行的足球，从水坝上冲下的水，或者从山上滚下的轮子。
检查你的理解
势能是指储存在物体内部的能量，它处于静止状态，但能够变为活跃状态。当物体处于静止状态时，它具有静止质量势能；如果物体处于受重力影响并可能下落的位置，则它具有重力势能。当物体运动时，势能转化为动能，即运动能。
势能也可以看作是储存的能量。势能的例子包括：树木具有势能，因为如果通过砍断树干或破坏支撑它的根部使其倒下，它就会倒下；桌边上的球具有储存的能量，因为它有下落的潜力；拉伸橡皮筋，以及静止的自行车。
重力势能是指与重力相关的势能，因为克服地球引力举起物体需要做功。如果一个物体在重力场中从一个点降落到另一个点，重力将对物体做正功，重力势能将减少相同的量。影响物体重力势能的因素有它相对于某个参考点的高度、它的质量以及它所处的重力场的强度。
例如，考虑将一本放在桌子上的书。当书从地板上被举到桌子上的时候，某种外力克服了重力。如果书掉回地板，书获得的“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...
当物体朝地球下落时，它的下降速度会增加（假设没有空气阻力或其他干扰），每秒增加 32 英尺（通常表示为 9.8 米/秒2）。
内能是指物质本身所包含的能量（不是物体的动能或重力势能，而是原子本身和原子之间固有的能量）。最常见的是，内能指的是热量，因为热量很容易测量，并且很容易在质量之间传递。热量是由于系统粒子运动而产生的微观动能。如果你在炉子上加热一个锅，原子的质子和中子振动得更快，电子也移动得更快。如果你冷却物质，原子粒子移动得越来越慢。绝对零度被定义为亚原子运动停止的点，达到 -273.15 °C、-459.67°F、0°K（我们可以通过实验将事物冷却到非常接近这个温度，但不能完全达到绝对零度）。
其他内能包括将原子结合在一起的化学键，以及将质子和中子结合在原子核内的强核力。这种强核力实际上解释了原子内大部分的质量——记住，质量和能量通过爱因斯坦的相对论联系在一起，我们从中得知能量 (E) 等于质量 (m) 乘以光速的平方 (c2)。释放强核力中的能量是很难的——当我们释放这种能量时，我们称之为核反应。当你拿起一块石头时，由于重力存在着势能；可能存在动能（如果你正在抛它），但石头的能量大部分是内能，它几乎完全无法获取，只会停留在石头的原子内。如果你拥有一个可以释放所有能量的超能力，那么每一块石头都会是一颗小型核弹！（当然，你会使用你的超能力来从水分子聚变中发电！对吧？)
能量守恒定律指出能量既不能被创造也不能被消灭。能量只能从一个地方转移到另一个地方，从一种形式转化为另一种形式，但能量的总量不会改变。虽然能量的总量保持不变，但它却不断地从一种形式转化为另一种形式。如果这种转化不能发生，植物就不能从营养物质和阳光中制造食物，你不能从食物中生长，你也不能将汽油中的能量转化为汽车的运动。
例如：https://qph.ec.quoracdn.net/main-qimg-8eedb3a29f15e62f0835bf957cc926bc.webp
爱因斯坦著名的方程式 E=mc² 将质量和能量的性质联系在一起。在我们日常生活中这一点并不明显——质量和能量似乎不是同一事物的两种表达方式。在日常生活中，能量不断地从一种形式转化为另一种形式（电能转化为光能，化学能转化为运动能，等等），但我们并没有看到质量转化为能量。这种情况可以发生，但只有在特殊情况下才会发生。创造这些条件是原子弹和核电站存在的可能。
让我们更仔细地研究一下。
Einstein's equation is E=mc²
E=energy; m=mass; c=speed of light squared (186,00 miles/sec*186,00 miles/sec)
你会注意到 c² 是一个非常大的数字！如果我们使用公制数字，以下是将 1 千克质量（2.2 磅）转化为另一种形式的能量的计算结果：E/m = c² = (299792458 m/s)² = 89875517873681764 J/kg (≈ 9.0 × 1016 焦耳/千克) 这相当于 6.95 亿加仑汽油或 250 亿千瓦时的电力！
当一个人谈论工作时，大多数普通人会想到城市工作，比如快餐店，或者作为清洁工来清洁当地的高中。这都很好，但对于那些即将成为科学家的学生来说，“工作”的意义完全不同。在这种情况下，功是指对物体施加力以改变该物体状态。这可能是将物体移到另一个地方，用不同的颜色粉刷物体等等。
现在这并不是说所有施加的力都算作功。举个例子，足球队中的一个学生。他正在努力地将哑铃推到球场周围。这是功，因为学生正在对哑铃施加力量，哑铃被移动了。把同一个学生放在墙上，告诉他推墙。虽然他正在对墙施加力量，但此时并没有做功，因为墙没有移动，也没有发生任何明显的变化。
热量
我们经常在日常生活中使用“热量”一词。我们到处都能听到和感觉到它。例如，当我们在外面时，我们会说“我能感觉到外面的热量”。当我们听到“热量”这个词时，首先想到的可能是热的感觉，或者想象自己大量出汗。但是热量的主题超出了这个范围。物质内部的总能量是它的热能，因为它是分子的运动。热量是热能从一个物体转移到另一个物体的过程。
热量和能量相互关联，因为热能是一种动能。它是分子的运动，但我们看不见它们。但我们可以通过温度的影响来感觉到它。此外，每当能量从一种形式转化为另一种形式时，一些能量（事实上，有时大部分能量）会转化为无用的、无组织的热量（例如，将电能转化为光能会导致灯泡发热；将汽油的化学能转化为汽车运动的动能会产生大量的热量，需要汽车的散热器和冷却系统）。
“温度”是指分子运动的速度快慢。 分子运动越快，温度就越高，分子运动越慢，温度就越低。“冷”实际上不是一种能量形式，而只是一个描述热能非常低的条件的术语。当你触摸冰冷的东西时，你正在将你的身体的热能转移到物体中（从技术上讲，如果你在头上放一个冰袋，冰袋并没有让你凉下来——你是在加热它！当然，在加热冰袋的过程中，你的身体会散发出热量，所以你会变凉，但这并不是说寒冷进入了你，而是热量移出了你）。
温度和热能不是一回事。温度是衡量分子动能的指标（原子粒子振动或旋转的速度），而热能是指物质的总热量。一个简单的理解方式是，如果你做了一大锅汤，然后舀了一点汤到碗里。如果你用温度计测量，你会发现碗里的汤和锅里的汤温度相同。然而，锅里的热能要多得多。你可以通过考虑冷却一碗汤和一锅汤所需的能量来验证这一点。如果你锅里的汤比碗里的多10倍，那么你的冰箱需要做10倍的工作来冷却锅里的汤，而不是冷却碗里的汤。因此，热能是温度和质量的综合结果。
任何影响分子运动的东西都会影响温度
- 摩擦
例如：摩擦双手，或者机器中机械部件相互滑动
- 压力
例如：气体压缩（给自行车轮胎充气，然后感受气泵），溜冰鞋的刀刃（溜冰者施加的压力会融化刀刃下方的薄冰层，减少摩擦，从而使滑行更容易）
- 撞击
例如：锤子敲击金属（用锤子用力敲击某物，然后感受它的温度）
- 化学反应（放热反应）
例如：燃烧木材、煤炭、天然气、石油等
太阳能
- 来自太阳
- 地球上所有能量的主要来源
- 核聚变
- 以光的形式到达地球，但也包括电磁波谱的其他部分
核能
- 聚变 = 合并 2 个原子形成一个更大的原子
- 裂变 = 将一个原子裂解成 2 个或更小的原子
热传递
- 传导是指通过物理接触将热能从一种物质传递到另一种物质的过程
- 对流是指通过移动的液体或气体传递热能的过程，因为它需要移动的分子，对流不能在太空中发生。
- 辐射是指通过电磁波传递热能的过程。
绝缘是指材料可以减缓或阻止热量传导的过程。
一些常见的绝缘材料包括木材、玻璃、橡胶、真空。
传导
传导被定义为分子碰撞的过程，通过物质将热能从一个分子传递到另一个分子。由于分子一直在运动，这会导致它们相互碰撞。当分子被激发或从其他分子中获取能量时，它们移动得更快。分子包含热能，当它们以更高的速度撞击其他分子时，动能就会传递给另一个分子。这种能量会产生连锁反应，一直持续下去（在室温下的水杯中，单个分子以许多不同的速度运动 - 换句话说，并非每个分子的温度都相同；一些快速移动的分子通过蒸发离开剩余的水）。传导的一个常见例子是将锅放在炉子上 - 炉子线圈的热量与锅的直接接触导致热能传递到锅中。
通常情况下，热传导性好的材料也是良好的导电体。示例包括
- 铜
- 银
- 铁
- 铝
- 钢
对流
对流被定义为能量在能量通过移动的液体和气体时传递的过程。热量会导致分子移动得更快，从而导致物质膨胀并扩散得更远，从而导致密度降低。如果空气变暖，被加热的部分就会膨胀；由于分子彼此之间距离更远，这种加热的气体比周围的冷空气轻，因此会上升。由温差引起的流体运动被称为“对流”。这些气流在某种程度上是洋流和大气风的原因。对流气流不能在空旷的真空中发生，因为它涉及移动的空气分子或其他成分（Yeti 杯由金属制成，是良好的热导体，但两层之间是真空空间，这种真空阻止热能传递在杯子内外层之间）。也许你曾经在炉子上加热汤的时候想过，导致汤在某些地方上升的对流气流看起来像微型火山。这是一种很好的见解 - 真实的火山是地球地壳下缓慢对流气流的一部分！
辐射
辐射被定义为通过电磁波传递能量的过程，是另一种传递热量的方式。该过程不依赖于移动的分子，电磁波可以在真空中移动（谢天谢地！否则来自太阳的能量将无法穿过太空真空到达我们！）。当我们想到热辐射时，我们通常会想到太阳。太阳通过太空辐射出大量的能量。太阳的能量非常强大，即使只有十亿分之一二进入地球大气层，这也足以满足我们星球对能量的需求。
当太阳光等辐射能到达固体不透明物体时，能量会自动被消耗，导致分子以更快的速度移动，因此物体变暖。深色物体比浅色物体吸收更多的辐射能。空气被来自这些物体表面的热量加热，在较大的范围内，这会产生风。辐射能的另一个例子是当你站在寒冷的夜晚的火炉附近。如果你用温度计测量你正前方和正后方的空气，你会发现它们的温度几乎相同，所以你从火炉获得的热量很少通过对流气流（大部分被加热的空气直接向上，而不是扩散）。除非你把手直接放在火上或放在火炉旁边的石头上，否则你不会通过传导获得热量。但是，你面向火炉的那部分会接收大量的辐射热（如果你真的冷，你会不断地转动身体，给身体的不同部位加热）。部分热量产生光，部分热量存在于电磁波谱的其他部分，尤其是红外光波。军队使用热成像来观察红外线，这使得“热敏”护目镜能够让即使是伪装得很好的物体也能显现出来。
热量问题
[edit | edit source]- 热量是如何通过传导传递的？
- 什么是对流？
- 热量是如何通过辐射传递的？
- 温度和热能有什么区别？
- 说出良好的导电体。
测验
[edit | edit source]试试这个快速测验，测试你通过阅读本章学到了什么！