能量的转化

能量是物理学中最核心的概念之一。日常生活中，电灯发光、汽车行驶、人体运动，背后都涉及能量从一种形式转变为另一种形式。能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会在不同形式之间相互转化。理解这一规律，不仅有助于分析各种物理现象，也是节能减排的理论基础。

能量的多种形式

自然界中的能量以多种形式存在。物体运动时具有动能，被举高的物体具有重力势能，被压缩或拉伸的弹簧具有弹性势能，燃料中储存着化学能，太阳辐射出光能，带电体周围存在电能，温度较高的物体内部具有内能（热能）……这些看似不同的能量形式，本质上都遵循同一套规律。

动能和势能（重力势能、弹性势能）合称为机械能。在不考虑摩擦和空气阻力的情况下，物体的机械能保持不变，这称为机械能守恒。

例1　一块质量为 $2\ \text{kg}$ 的石块从高度 $h = 5\ \text{m}$ 处自由落下（取 $g = 10\ \text{m/s}^2$）。落地前的瞬间，石块的动能与重力势能分别是多少？

在不计空气阻力的条件下，石块下落过程中机械能守恒。初始时石块静止在高处，全部机械能以重力势能的形式存在：

$E_p = mgh = 2\ \text{kg} \times 10\ \text{m/s}^2 \times 5\ \text{m} = 100\ \text{J}$

落地瞬间，高度为零，重力势能全部转化为动能，所以动能为 $100\ \text{J}$，重力势能为 $0\ \text{J}$。整个过程中，机械能总量始终为 $100\ \text{J}$，只是重力势能逐渐减小，动能逐渐增大。

能量的转化过程

能量从一种形式变为另一种形式，称为能量转化。生活中每一个物理过程几乎都伴随着能量的转化。以下是几种典型的能量转化情形：

例2　一辆电动自行车从静止出发加速行驶。分析这个过程中发生了哪些能量转化。

电动自行车的蓄电池在放电时，将化学能转化为电能；电能通过电动机转化为机械能，驱动车辆前进；由于轮胎与地面之间存在摩擦，以及车辆运动时受到空气阻力，还有一部分机械能转化为内能散失到环境中。整个过程可以表示为：

$\text{化学能} \xrightarrow{\text{放电}} \text{电能} \xrightarrow{\text{电动机}} \text{机械能} \xrightarrow{\text{摩擦等}} \text{内能（损失）}$

例3　用手反复弯折一根铁丝，弯折处会明显变热。这是什么能量转化？

反复弯折铁丝时，手对铁丝做功，机械能（做功的形式）转化为铁丝内部分子热运动的内能，所以弯折处温度升高。这也是“做功可以改变物体内能”的典型例子，和摩擦生热的本质相同。

能量守恒定律

19世纪中叶，经过多位科学家的共同研究，能量守恒定律被正式确立，成为自然科学最基本的定律之一。其内容可以表述为：

这个定律适用于一切物理、化学乃至生物过程，没有任何已知的例外。历史上曾有人声称发明了“永动机”——一种不需要任何能量输入、能够永远运转并对外做功的机器。根据能量守恒定律，这类机器是不可能存在的，因为对外做功需要消耗能量，而能量不可能凭空产生。

例4　一台电热水壶额定功率为 $2000\ \text{W}$，加热 $3\ \text{min}$（即 $180\ \text{s}$）后停止。问这段时间内电路消耗的总电能是多少？如果其中 $80\%$ 转化为水吸收的热量，其余 $20\%$ 以各种形式散失，那么水吸收的热量是多少？

消耗的总电能：

$W = Pt = 2000\ \text{W} \times 180\ \text{s} = 360\ 000\ \text{J} = 3.6 \times 10^5\ \text{J}$

水吸收的热量：

$Q = W \times 80\% = 3.6 \times 10^5\ \text{J} \times 0.8 = 2.88 \times 10^5\ \text{J}$

散失的能量：$3.6 \times 10^5\ \text{J} - 2.88 \times 10^5\ \text{J} = 7.2 \times 10^4\ \text{J}$，以热辐射等形式散失到环境中。总能量仍然守恒。

能量转化效率

在实际的能量转化过程中，人们需要的只是某种特定形式的能量（称为有用能量），而总有一部分能量以不需要的形式散失出去（称为损失能量）。有用能量占总能量的比值，称为能量转化效率，通常用百分比表示：

$\eta = \frac{W_{\text{有用}}}{W_{\text{总}}} \times 100\%$

其中 $\eta$（读作“艾塔”）是效率，$W_{\text{有用}}$ 是有用能量（单位 J），$W_{\text{总}}$ 是总输入能量（单位 J）。效率越高，说明能量利用越充分，损失越少。

下表列出了几种常见设备的典型能量转化效率：

从表中可以看出，白炽灯的效率极低，绝大部分电能都转化为热量散失，这也是白炽灯被逐渐淘汰、LED灯全面普及的主要原因。

例5　一台电动机输入电能 $5000\ \text{J}$，克服摩擦产生热量 $300\ \text{J}$，求该电动机的效率。

有用能量 = 总输入能量 − 损失能量：

$W_{\text{有用}} = 5000\ \text{J} - 300\ \text{J} = 4700\ \text{J}$

效率：

$\eta = \frac{W_{\text{有用}}}{W_{\text{总}}} \times 100\% = \frac{4700\ \text{J}}{5000\ \text{J}} \times 100\% = 94\%$

该电动机的能量转化效率为 $94\%$。

节能与环保

能量守恒告诉我们，能量总量不会减少。但在实际生活中，人类可以直接利用的“高品质”能量（如电能、燃料的化学能）在使用后往往转化为难以再利用的低温热能散失到环境中，这部分能量虽然没有消失，却已经无法再被方便地利用。这正是“节约能源”的科学依据——不是能量消失了，而是高品质能量越来越少。

大量燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）不仅消耗不可再生资源，还会产生大量二氧化碳（$\text{CO}_2$）、二氧化硫（$\text{SO}_2$）等气体，造成温室效应加剧、大气污染等环境问题。

例6　一个普通白炽灯（60 W）和一个LED灯（8 W）发出相同亮度的光。一天使用 $8\ \text{h}$，一年使用 $365\ \text{天}$。计算两者一年消耗的电能差值（单位用度，$1\ \text{度} = 1\ \text{kWh}$），并说明节能意义。

白炽灯一年耗电：

$W_1 = 60\ \text{W} \times 8\ \text{h} \times 365 = 175\ 200\ \text{Wh} = 175.2\ \text{kWh} \approx 175.2\ \text{度}$

LED灯一年耗电：

$W_2 = 8\ \text{W} \times 8\ \text{h} \times 365 = 23\ 360\ \text{Wh} = 23.36\ \text{kWh} \approx 23.4\ \text{度}$

节省电量：

$\Delta W = 175.2 - 23.4 = 151.8\ \text{度}$

仅替换一盏灯，一年就可节省约 $151.8$ 度电。若全国数亿盏白炽灯全部换成LED灯，节能效果将是极为可观的。

在日常生活中，以下措施都是有效的节能方式：

练习题

选择题

第1题（考查能量转化方向的判断）

汽油机工作时，汽油燃烧推动活塞运动，这个过程中能量转化的主要方向是：

A. 机械能 → 化学能　　B. 化学能 → 内能 + 机械能　　C. 内能 → 化学能　　D. 电能 → 机械能

第2题（考查能量守恒定律）

下列说法正确的是：

A. 能量可以凭空产生，但不能凭空消失　　B. 摩擦生热过程中，机械能消失，内能增加　　C. 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，总量保持不变　　D. 效率为100%的机器是可以制造出来的

第3题（考查能量转化效率的计算）

某电热水壶消耗电能 $18\ 000\ \text{J}$，其中 $15\ 300\ \text{J}$ 被水吸收，其余散失。该电热水壶的效率为：

A. $75\%$　　B. $80\%$　　C. $85\%$　　D. $90\%$

第4题（考查节能知识与可再生能源）

下列能源中，属于可再生能源的是：

A. 煤　　B. 天然气　　C. 石油　　D. 太阳能

计算题

第5题（考查能量转化效率的综合计算）

某工厂使用一台电动机提升货物。电动机的输入电功率为 $3000\ \text{W}$，在 $20\ \text{s}$ 内将质量为 $500\ \text{kg}$ 的货物匀速提升了 $2\ \text{m}$（取 $g = 10\ \text{m/s}^2$）。求：（1）电动机在 内消耗的总电能；（2）提升货物克服重力做的有用功；（3）该电动机在此过程中的效率。

第6题（考查能量守恒与实际计算）

一块质量为 $0.5\ \text{kg}$ 的铁块从距地面 $10\ \text{m}$ 高处由静止自由落下（取 $g = 10\ \text{m/s}^2$，忽略空气阻力）。求：（1）铁块下落前的重力势能（以地面为参考平面）；（2）铁块落地时的动能；（3）如果铁块落地后陷入泥土中 $0.05\ \text{m}$ 才停下来，铁块对泥土做的功是多少？这些功转化成了什么形式的能量？

（3）效率：

$\eta = \frac{W_{\text{有用}}}{W_{\text{总}}} \times 100\% = \frac{10\ 000\ \text{J}}{60\ 000\ \text{J}} \times 100\% \approx 16.7\%$

该电动机提升货物的效率约为 $16.7\%$，说明大部分电能消耗在克服摩擦、电阻发热等无用损耗上。

（2）忽略空气阻力，机械能守恒，落地时重力势能全部转化为动能：

$E_k = E_p = 50\ \text{J}$

（3）铁块落地后在泥土中做功，将动能全部转化：

$W = E_k = 50\ \text{J}$

铁块对泥土做了 $50\ \text{J}$ 的功，这部分能量转化为铁块和泥土的内能（热能），即泥土和铁块的温度略有升高。这一过程体现了能量守恒：机械能并未消失，而是转化为内能。