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第十四章
内能的利用
第1节
能量的转化与守恒
通过前面的学习，我们已经发现可以通过做功将其他形式的能量转化为内能。生活中的风能、太阳能(图14.1-1)、电能、水能、化学能等，也可以相互转化吗
图14.1-1 风能和太阳能
能量的存在形式
能量有多种存在形式：机械能、内能、电能、化学能、光能、核能、潮汐能等。常见的能量存在形式如图所示。
能量的转化
完成下面一组小实验。
1. 来回迅速摩擦双手
2. 用黑塑料袋盛些水，插入温度计后系好袋口，放在阳光下。
3. 将太阳能电池连在小电扇上，并使太阳能电池对着阳光。
观察实验中的现象，讨论发生了哪些能量转化。
4. 将塑料笔杆在头发或毛衣上摩擦后靠近细碎的纸屑。
······
1. 机械能转化为内能。
2.太阳能转化为内能。
3. 太阳能转化为电能，再转化为小电扇的机械能。
4. 机械能转化为电能，再转化为纸片的机械能。
你还能指出一些事实，说明力现象与热现象有联系、力现象与电现象有联系、电现象与热现象有联系吗 最好把现象演示给大家。
力现象与热现象的联系：汽车紧急刹车时，轮胎与地面摩擦，在地面上留下一道痕迹，这是机械能转化为内能；
力现象与电现象的联系：发电机发电，将机械能转化为电能；
申现象与热现象的联系：电饭锅、电熨斗在工作时，将电能转化为内能。
自然界中的各种现象都是互相联系的。科学家经过长期探索，发现能量转化非常普遍。在一定条件下，各种形式的能量是可以相互转化的：摩擦生热，机械能转化为内能；水电站里水轮机带动发电机发电，机械能转化为电能；电动机带动水泵把水送到高处，电能转化为机械能；植物吸收太阳光进行光合作用，光能转化为化学能；燃料燃烧时发热，化学能转化为内能······
图14.1-2 各种形式能量的转化
能量的转移
(1) 同一种形式的能量，可以从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的部分转移到另一部分。
(2) 能量转移实例：
现象 用暖气取暖 两小球相撞 镜子反光
能量转移 内能的转移 机械能的转移 光能的转移
能量的转化和转移的区别
(1) 能量转化时能的形式发生了变化。例如蜡烛燃烧时，蜡烛的化学能转化为光能和内能。在能量转化过程中，一种形式的能量增加，肯定有其他形式的能量减少。
(2) 能量转移时能的形式并没有发生变化。例如用热水袋取暖时，内能从高温的热水袋转移到人体。
能量守恒定律
停止用力，摆动的秋千会越摆越低：掉在地上的弹性小球会跳起，但是越跳越低(图14.1-3)。
图14.1-3小球在地面弹跳的频闪照片
讨论秋千和小球在运动中的能量转化。
为什么它们到达的高度会逐渐降低 是否丢失了能量
你认为减少的机械能到哪里去了
图14.1-3小球在地面弹跳的频闪照片
秋千和小球的高度逐渐降低，是因为它们的机械能减少了，但能量总量并没有减少，实际上是秋千和小球在摆动或弹跳时通过摩擦或碰撞将机械能转化为内能了。
在秋千和小球的运动中，看似能量减少了，其实是在运动过程中，有一部分机械能转化成了内能。
大量事实表明：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律 (law of conservation of energy )。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。大到天体，小到原子核，无论是物理学的问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵循能量守恒定律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一定律都发挥着重要的作用。例如，在行驶的燃油汽车中，燃料的化学能通过燃烧转化为燃气的内能，再通过发动机做功把内能转化为机械能。在这个过程中，燃料的化学能一部分转化为机械能，一部分转化为发动机和周围环境的内能，能量的总量不变。
机械能守恒定律与能量守恒定律的区别
项目 机械能守恒 能量守恒
含义 转化前、后机械能的总和不变 转化和转移前、后，各种形式的能量的总和不变
应用条件 只有动能和势能相互转化，即没有能量损失或额外的能量补充 任何能量转化和转移的过程
机械能不守恒时，能量仍守恒
不少人曾经设想制造一种不需要动力就可以源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫作永动机。然而，在科学技术发展的历史上，从来没有一种永动机成功过。能量守恒定律的发现，使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为其他形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能造出永动机。
图14.1-4 是一种设想中的永动机，它通过高处的水流冲击叶片，使叶片转动来对外做功，同时带动抽水机将水从低处抽到高处，从而循环工作。你能不能从能量守恒的角度说明它为什么不能一直工作下去
图14.1-4 一种设想中的永动机
图14.1-4 一种设想中的永动机
要使机器持续不断地做功，即要有水不断地流下来，就要消耗能量把流到低处的水抽到高处，而做机械运动的各个部件之间有摩擦，会产生内能，机械能会逐渐减少，使流下的水不能全部被抽回。
对热的本质的认识过程
热是一种常见的现象。热是什么
17世纪以后，根据摩擦生热的现象，不少物理学家都认为热是一种特殊的运动形式，但是这种看法由于缺乏精确的实验证据，还不能形成科学的理论。
热质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质——热质，认为热质不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度，取决于其中所含热质的多少。到了18世纪，热质说由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认。热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热容降低了因此摩擦可以使物体的温度升高。
1798年，英国物理学家伦福德发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温度，甚至可以使水沸腾。伦福德认为，由摩擦所生的热，来源似乎是无穷无尽的，要用热质说解释摩擦生热现象，钻下的金属屑的比热容要改变很大才行。于是他设计并做了一系列实验，发现钻下的金属屑的比热容在摩擦时并没有降低。根据实验结果，伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成一种运动形式。热质说的统治地位开始动摇了。
1799年，英国化学家戴维做了更加严格的实验，有力地打击了热质说。
此后，科学家进一步研究了热和做功的关系，特别是英国物理学家焦耳做了大量实验，定量地研究了热和功的关系，证明做了多少机械功，就有多少机械能转化成与热相关的能量。焦耳的工作表明热不是一种特殊的物质，同时为建立能量守恒定律奠定了基础。
能量守恒定律的建立，彻底否定了热质说，同时为分子动理论的发展开辟了道路。人们认识到：宏观的热现象原来是物体内部大量分子的无规则运动的表现物体内部的能量就是前面讲过的内能。热量不表示物质所含“热质”的多少，而表示在热传递过程中传递的能量的多少。
透过表面现象追求背后的本质，这是科学家寻根究底、追求真理精神的体现。
用水发电时，水从高处流下冲击水轮机，水轮机转动并带动发电机发电。在这个过程中发生了哪些能量转化
在这个过程中发生了以下能量转化：
(1) 重力势能转化为动能：水从高处流下，高度降低，速度增大，其重力势能转化为动能。
(2) 机械能转化为电能：水轮机转动带动发电机发电，发电机将机械能转化为电能。
图14.1-5展示的是“风光互补”景观照明灯。它的最上端是一台风力发电机，灯柱上还配有太阳能电池板，底部的蓄电池可以储存电能。请说明这种景观照明灯在储能和照明时有哪些能量转化。
图 14.1-5
这种景观照明灯在储能和照明时的能量转化如下：
(1)储能时：风力发电机的叶片在风力作用下转动，机械能转化为电能，再将电能储存到蓄电池中，此过程是电能转化为化学能；太阳能发电储能：太阳能电池板吸收太阳能，将太阳能转化为电能，然后电能在蓄电池中转化为化学能储存起来。
(2)照明时：蓄电池放电，化学能转化为电能，电能通过导线传输到灯泡，灯泡将电能转化为光能和内能，实现照明功能。
图 14.1-6甲是运动员在2022年北京冬奥会自由式滑雪大跳台训练的情景。运动员从60m高的跳台上的A点自由滑下，从B点冲出如图 14.1-6乙所示。运动员在空中能否达到与A点高度相同的C点 为什么
甲
乙
图 14.1-6
不能。
因为运动员从 A 点自由滑下到B点再冲出的过程中，存在摩擦力和空气阻力做功，会有 部分机械能转化为内能，导致其机械能减少，机械能不守恒。所以运动员在空中上升的高度无法达到与 A点相同的高度，即不能到达 C 点。
甲
乙
图 14.1-6
食物(图14.1-7)也是一种“燃料”，葡萄糖等营养成分在人体细胞里与氧结合，提供细胞生命活动所需的能量。这种过程没有火焰，但化学能同样可以转化为内能。从能量守恒的角度看，食物提供的化学能还转化为哪些能量
图 14.1-7
人体摄入的能量(营养师常称之为热量)过多或过少，都有损于健康。对于正在长身体的初中学生，每天应该摄入多少能量 应该如何调整饮食 查阅资料、进行调查，写一篇科学报告，并与同学交流。
从能量守恒的角度看，食物提供的化学能除了转化为内能，还转化为以下能量：
(1)机械能：人体进行各种运动，如行走、跑步、抬手等动作时，肌肉收缩做功，化学能转化为机械能，使身体各部分产生运动。
(2)电能：人体的神经细胞传递信号需要电能，心脏的正常跳动也依赖生物电，这些电信号的产生和传导都需要消耗化学能转化来的电能。
(3)化学能：用于合成和储存身体内的其他物质，如蛋白质、脂肪等，将食物中的化学能转化为这些物质中的化学能储存起来。
如图 14.1-8所示，轻轻推倒第一块小木板就会产生连锁反应，使最后一块大木板被推倒。有人认为，实验说明了用很少的能量可以产生较多的能量，所以能量守恒定律不成立。你认为他的说法正确吗 说说理由。
图14.1-8
他的说法不正确。
能量守恒定律是自然界的基本规律之一，在任何情况下都成立。在这个过程中，推倒第一块小木板时，木板依次被推倒，是因为每块木板倒下时都将自身的重力势能转化为动能，再传递给下一块木板。整个过程中，能量只是在不同形式 (重力势能和动能)之间相互转化，以及在不同物体 (各个木板) 之间传递，总能量是守恒的。
1. (葫芦岛期末)如图甲和乙所示分别是空气动力汽车和小型低碳化未来汽车，甲利用压缩空气推动活塞做功提供动力，这种车在开车时将空气的 ______能转化为机械能；乙车顶部的巨型叶子实际上是一个高效光电转换器，它可将________能转化为电能。以上能量的转化过程中，能的总量 _________ (选填“变大”“变小”或“不变”)。
内
太阳
不变
2. (湖北随州模拟)下列关于能量转化的说法，正确的是 ( )
A. 甲图中，风力发电将空气的机械能转化为电能
B. 乙图中，拉开的弹弓将石子弹出的过程，弹性势能增大
C. 丙图中，“神舟十九号”载人飞船成功返航，返回舱在减速着陆过程中机械能守恒
D. 丁图中，水平路面上疾驰的汽车，将重力势能转化为动能
A

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