能量

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簡介

在學習任何一門科學分支時，你一定多次遇到過“能量”這個詞。即使沒有太多的科學知識，你對能量也一定有一定的瞭解。一個沒有科學知識的人可能會認為能量是某種使物體能夠發揮作用的屬性。例如，能量使我們的汽車發動機運轉，能量可以照亮燈泡。然而，能量的科學觀點要複雜得多，也比人們想象的要廣泛得多。

什麼是能量？

能量的科學定義可以表述如下：

能量是一種定量屬性，它被轉移到物體上，並且可以以熱、光、聲等形式或透過做功來識別。

這只是科學術語，普通讀者可能難以理解。因此，與其死記硬背這個定義，不如讓我們嘗試弄清楚它的含義。

首先，能量被定義為一種定量屬性，這意味著它可以被測量並表示為一個數字。許多量沒有數值表示。例如，顏色不能用數字表示。然而，能量並非如此，你總是可以用一個數字和一個合適的單位來表示它的數量。

你應該注意的第二點是，能量可以以某種形式（如熱或光）或透過做功來識別。也就是說，能量提供了物體做某種功的能力。事實上，這構成了能量的一個基本定義，儘管有點令人困惑：“能量是做功的能力”。同時，能量也可以被識別為熱、光、聲等。因此，能量有多種形式。

以上兩段是你入門需要了解的關於能量的知識。現在，我們將把注意力轉向能量的型別。

能量的型別

能量可以根據其所採取的形式分類為多種型別。然而，能量最簡單的分類如下所示：

勢能

勢能通常與物體的位姿有關。例如，地球上的物體具有重力勢能，隨著我們從地表向上移動，重力勢能增加。類似地，原子中的電子具有勢能，當它靠近原子核時，勢能升高。另一個常見的例子是連線在彈簧上的物體的勢能。

動能

動能與運動和速度有關。當一個物體以一定的速度運動時，它就擁有我們稱之為動能的能量。動能的公式非常簡單。它表示為 $\mathrm{K=\frac{1}{2}mv^{2}}$

機械能

機械能是物體勢能和動能的總和。這不是一種獨立的能量形式。然而，導致勢能和運動的力都屬於力學的範疇。因此，我們有了機械能這個術語。

熱能

與熱相關的能量稱為熱能。它可以透過多種方式產生。例如，著火的物體產生大量的熱能。許多化學反應是放熱的，也會釋放熱能。

聲能

就像熱是能量的一種形式一樣，聲音也是能量。與聲音相關的能量稱為聲能。它由聲波在空間中傳播，聲波不能在真空中傳播。

能量守恆定律

能量守恆定律是物理學最基本的定律之一。它以這樣或那樣的方式構成了我們幾乎所有物理學理論和概念的基礎。事實上，如果能量守恆被違反，我們所知道的一切物理學知識都會發生翻天覆地的變化。以下是這條普遍定律的表述：

能量只能從一種形式轉變為另一種形式。但它永遠不會被創造或毀滅。

能量守恆意味著能量的恆定性。也就是說，能量要麼轉化為不同的形式，要麼保持不變。你不能憑空創造能量，也不能讓它消失得無影無蹤。

• 例如，假設兩個鋼球正在相互靠近。沒有外部影響。當它們碰撞時，它們會停止並粘在一起。新手會說這裡存在明顯的能量損失，因為運動的物體具有動能，而動能消失了。然而，由於守恆定律，這是不可能的。你知道聲音和熱量是能量的形式。當兩個球體碰撞時，它們會發出“砰”的一聲，甚至可能會發熱。因此，物體的動能僅僅轉化為聲能和熱能。

用途

能量守恆幾乎在物理學的各個領域都有應用。

解決問題

在各種情況下，使用能量守恆可以得到比其他公式更簡單的方程和更快的解決方案。例如，當物體由於重力而下落時，其動能和勢能可以相等，從而獲得有關其速度和高度的資訊。

類似地，在與中心力運動相關的難題中，我們可以用總能量來工作，並以更少的努力獲得有關物體軌道的的資訊。

發展理論

通常，我們需要研究理論和假設。使用能量守恆可以給我們一個如何進行的思路。例如，在兩個理論 A 和 B 中，B 可能會導致違反能量守恆的結果，這將使 A 成為繼續進行的唯一選擇。

化學

研究與化學反應相關的能量變化可以讓我們瞭解反應將如何進行以及反應發生的條件。例如，吸熱反應只有在外部有熱能可用時才會發生。

結論

能量簡單來說就是做功的能力。這個簡單的定義無法體現能量概念在每一個科學領域的巨大用途。能量以多種形式存在，從機械能到熱能再到化學能。

能量守恆定律意味著能量的恆定性。簡單來說，它指出宇宙的總能量是一個常數。也就是說，能量不能憑空出現，也不能消失得無影無蹤。它只能轉化為不同的形式。這條定律使我們能夠比傳統的公式更容易地解決物理、化學和生物學中的各種問題。

常見問題

Q1. 什麼是質能等價？

Ans. 質能等價是指質量和能量相互關聯的屬性。我們可以將能量轉換為質量，反之亦然。此類過程的數學關係由方程 $\mathrm{E=mc^{2}}$ 給出。

Q2. 能量的單位是什麼？

Ans. 能量的 SI 單位是焦耳。其他單位包括卡路里、eV、爾格和千瓦時等。

Q3. 我們能將所有能量從一種形式轉換為另一種形式嗎？

Ans. 不。實際上，100% 的效率是不可能的。我們總是會產生某種損失，表現為熱、聲或光。

Q4. 當一個箱子沿著斜坡下滑時，如果我們不能創造能量，那麼它的動能從哪裡來？

Ans. 在重力場中的物體具有重力勢能。當它們沿著斜坡下滑時，動能不會出現在任何地方。相反，勢能會改變形式並表現為動能。事實上，無論哪裡有力的作用，哪裡就有能量的作用。在任何系統中，力與勢透過方程 $\mathrm{F=-\frac{\partial U}{\partial r}}$ 相聯絡。

Q5. 如果一個過程不違反能量守恆，那麼它是否一定能發生？

Ans. 不。儘管遵循能量守恆，但一些過程是被禁止的。這在熱力學中最常遇到。