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2.5 能的转化与能量守恒
第2课时 能量守恒定律
能的概念是人类对物质世界进行长期探索中建立起来的。所有的自然现象、不同的运动形式都涉及能，人类的活动也离不开能。
能无所不在，能的形式多种多样，如描述机械运动的机械能，描述热运动的内能，描述电磁运动的电磁能，等等。人们利用能的概念把热、电、磁、光，以及机械运动等都统一起来描述。
热汤具有内能
飞行的子弹具有机械能
雷达天线接收、发射电磁能
二、能量守恒定律
在19世纪中叶，科学家总结出了能量守恒定律。能量守恒定律的建立，经历了多种实验过程的探索，也经历了对实验结果的质疑，是不同领域的多位科学家集体智慧的结晶。
科学家在研究自然的过程中，逐渐认识到自然界的现象之间存在着相互联系，如动能和势能可以相互转化，电与磁可以相互转化，运动和热可以相互转化，等等。
电与磁的转化
运动和热的转化
能由一种形式转化为另一种形式的过程中，能的多少是否发生变化？即，能量是否发生变化？
动能和势能的转化
图2.5-14 起重机提升重物
如图2.5-14所示，用电动机提升重物时，电动机消耗的电能是否都转化为重物的机械能？是否还转化为其他形式的能？如果把转化后的各种形式的能全部加起来，是否跟电动机消耗的电能相等？
电动机消耗的电能：
若把各种形式的能全部加起来，与电动机消耗的电能相等。
即，能的总量不变，即能量守恒。
一部分转化为重物的机械能
一部分转化为内能
克服摩擦做功
电流的热效应
大量事实告诉我们，在能量的形式发生相互转化的过程中，某种形式的能量减少了多少，另一种形式的能量一定会相应地增加多少。同样，某种形式的能量增加了多少，另一种形式的能量一定会相应地减少多少，而能的总量不变。
能量守恒定律：
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。而在转化和转移的过程中，能的总量保持不变。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。无论是机械运动，还是生命运动；无论是宇宙天体，还是微观粒子，都遵循这个定律。
能量守恒定律是科学史上最重大的发现之一，它把各种自然现象统一起来，描绘出一幅自然界普遍联系的世界图景。
达·芬奇（L.d.Vinci，1452～1519）曾设计了一个“永动机”：一只圆轮，里面装有可以自由滚动的重钢球，如图2.5-15所示。利用隔板的特殊形状，使轮子一边的钢球总是滚到另一边距离轮心远些的地方，这样，在钢球所受的重力作用下，轮子便会转动不息。这个“永动机”能旋转不息吗？为什么？
图2.5-15 达·芬奇的永动机模型
“永动机”不可能一直转动下去 ，这种说法违背了能量守恒定律。
圆轮转动时克服摩擦和空气阻力而消耗能量，导致机械能总量减小，所以圆轮不能旋转不息。
如图2.5-16所示是“饮水鸟”玩具。先往"饮水鸟”头部滴几滴水，“饮水鸟”直立一会儿，就会慢慢俯下身去“喝”水，然后它又会直立起米，如此循环往复......这种“饮水鸟”玩具看似永动机，其实并不是。
水蒸发
嘴
气态乙醚
支点
气态乙醚
液态乙醚
图2.5-16 “饮水鸟”玩具及其原理示意图
“饮水鸟”的头和身体都由玻璃球构成，并由玻璃管相连通，且密封。身体处的玻璃球内盛有一此乙醚(一种易挥发、易液化的液体)，头部玻璃球连同尖嘴被吸水毛毡包裹。
“饮水鸟”“饮水”后，头部的水不断蒸发，吸收
了周围物体(空气)的热，才使“饮水鸟”持续运动。
当头部毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低，玻璃管上部乙醚蒸气液化，压强减小，管内液柱上升。“饮水鸟”重心上移，直到倾倒。处于倾倒位置的“饮水鸟”，头部毛毡再次浸润，
乙醚流回身体处的玻璃球，重心下移，“饮水鸟”直立。
那么，“饮水鸟”是靠什么来维持不断运动的？
可见，“饮水鸟"的运动并没有违背能量守恒定律。
能量转化：
鸟头部毛毡吸水，水蒸发吸热，温度降低
气态乙醚液化，气压减小
重心上移，倾倒
管内液柱上升
循环往复
……
空气内能转化为“饮水鸟”的机械能，实现持续运动。
“饮水鸟”不断运动的解释：
“永动机 ”不可能成功的事实告诉我们，违反能量守恒定律的事件是不可能发生的。那么，遵循能量的转化和守恒定律的事件是否一定会发生呢？
能量守恒定律表明能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。
当一块炽热的铁块投入水中时，内能从铁块传递给水，从而使铁块的温度降低，水的温度升高，最后两者达到相同的温度。但是，相反的过程不会自发地发生。铁块不可能自发地从同温度的水中吸收热，使自己变得炽热，尽管这一过程并不违背能量守恒定律。
三、能的转移和转化的方向性
表明，能的转移有一定的方向性。
当杂技演员沿竹竿下滑时，重力势能转化为内能，使手和竹竿的温度升高。但是，相反的过程也不会自发地发生，即手和竹竿不可能自发地降低温度，而使人的位置升高。尽管这一过程也不违背能量守恒定律。
表明，能的转化有一定的方向性。
大量的现象表明，能的转移和转化有一定的方向性。人们是在能转移或转化过程中利用能的。
请举例说明，能的转移和转化有一定的方向性具有什么实际意义
举例：汽车制动时动能自发转化为地面、空气的散失内能，这些能量无法自动驱动汽车重新起步，这一规律指导人们研发能量回收系统，将刹车损耗的部分能量回收储存再利用。
指导能源高效利用 ：遵循热传递自发从高温到低温的自然方向，设计暖气、热水袋等供暖系统，大幅降低取暖过程的能源消耗。
指导逆向设备研发 ：明确热量无法自发从低温物体转移到高温物体，因此研发出冰箱、空调等制冷设备，通过消耗外界电能实现逆向能量转移，满足食物保鲜、室内降温等生活生产需求。
支撑低碳可持续发展 ：认识到能量转化后“品质”会下降，推动全社会开发光伏、风电等清洁能源，减少高品位能源的无端浪费，助力绿色低碳的能源体系建设。
能量守恒定律的建立
1840年，德国医生迈尔（J. R.Mayer）从生理学角度对能进行了研究，他发现病人的静脉血比他预计的要红得多，因此他开始思考动物热的问题，并由此萌发了所有形式的能都可以相互转化的想法。
从1840～1878年的近40年时间里，英国科学家焦耳研究了电流的热效应、空气压缩时温度的升高，以及电、化学和机械作用之间的联系。他发现了焦耳定律，得出了电能向内能转化的定量关系。他用各种方法测定热与功之间的当量关系，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础。
1847年，德国科学家亥姆霍兹（H. L. F. von Helmholtz）发表了《论力的守恒》一文，把能的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学等领域，系统、严密地阐述了能量守恒思想。
可见，能量守恒定律是众多科学家集体智慧的结晶。
他分析了机械能、化学能、电磁能等不同形式能的转化和能量守恒，并把能量守恒与永动机不可能制成联系起来。他认为机器只能转化能，而不能创造和消灭能。他对能量守恒定律作出了清晰、具有说服力的论述，从而使能量转化和守恒定律得到人们的广泛接受。
图2.5-17 科学家对能量守恒的探索历程
1、自然界中，各种形式的能量都可在一定条件下 ，且在这一过程中，一定遵循 。
相互转化
能量守恒定律
2、能量既不会 ，也不会 ，它只会 从一种形式 为另一种形式或从一个物体 到另一个物体。而能的总量 。
消灭
创生
转化
转移
保持不变
3、水轮机带动发电机发电，是________能转化为_____能；电动机带动水泵，把水抽到高 处，是_____能转化为______能。
机械能
电能
电
水的势
4、用热传递的方法来改变物体的内能，实质上是能量的______过程；用做功的方法来改变物体的内能，实质上是能量的______过程。
转移
转化
5、在一个密封的小房间里，放着一台开着门的 电冰箱，给电冰箱通电，过一段时间后，房间 的温度将 （ ）
A.升高 B.降低 C.不变 D.无法确定
C
6、如图所示是一种在阳光下能不断摇摆的塑料小花。花盆表面的太阳能电板在光照下，产生电流驱动电动机，使小花左右摆动。下列有关该小花摆动过程中能量转化的描述正确的是（ ）
A. 叶片将光能转化为化学能
B. 电动机将机械能转化为电能
C. 太阳能电板将太阳能转化为电能
D. 小花将动能转化为化学能
C
再见

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