單元貳:能的形式與轉換

一、能的形式

() 能的概念及定義:

1.人類對能的觀察較物質的研究起步較晚,原因是能量雖然看得見卻不具體積和質量,難以儲存及控制,所以不易觀察。

2.正因為能不易觀察,早期科學家對於熟知的光能、熱能都曾有大膽的假設,認為光和熱是一種物質,當然以現今的見解:光和熱所具有的特性可判斷兩者皆屬於能的一種形式。

3.到了十九世紀中葉時期,英國科學家焦耳對於能的概念有較嚴謹的探究,並且以實驗證實「熱是一種能量」,並且計算出熱量1卡約等於4.18焦耳,且能的單位:焦耳(Joul),即由此而來。

4.能有各種不同的形式,且可互相轉換

5.能的特性:本身沒有質量和體積,且具有『作功』的本領。

6.能的單位:【焦耳】(Joul)、【J】,熱能的單位:卡(cal)。

() 常見的能量形式:

1.力學能(機械能):包含『動能』、『位能』。(如下表一所示)
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(1) 動能:物體在運動時所具有的能量,物體的動能與【質量成正比
與【
速度平方成正比
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(2) 位能:是物體因位置不同或發生形變而暫時貯存的能量
例如:【重力位能】、【彈力位能】、等。
2

2.化學能:例如

(1) 食物:蛋白質、醣類和脂肪三大營養素,皆含有化學能。

(2) 可燃物:氫氣、煤、石油、天然氣和酒精…等。

(3) 放熱(電)的化學反應:乾電池、鉛電池等,能量轉換的過程為:
化學能】轉換為【電能】。

3.熱能:同一物體溫度愈高則熱能愈大, H=m××Δt
單位:卡(cal),1卡=4.18焦耳

4.電能:【電位能】的簡稱,公式:   電能 Q×ΔV
電能(已於前面單元:電學中詳述)。
註:Q為電量,ΔV為電位差(即電壓)

5.目前核能運用在和平的用途上,為原子核分裂的形式,核能發電所使用的原料即為U-235(鈾-235的原子核分裂時所產生的能量來發電。
(此點在本主題單元壹:原子核衰變中有詳細敘述)

二、力學能守恆

() 力學能的定義:

1.在力學的發展史上早期是以英國科學家牛頓為首的研究為範疇,主要是巨觀的角度討論物體的運動。

2.自量子力學發展後,上述的力學理論被稱為:古典力學,以區分現代以微觀的角度為研究範疇。(量子力學不在國中階段討論)

3.本單元提及的力學是指古典力學,包括牛頓三大運動定律以及與運動有關的能量變化,稱為:「力學能」。

4.學能等於動能加位能的和,又稱為:機械能。因為物體的運動就是能量的轉換,除了牽涉到力與速度的變化之外,事實上就是動能和位能的轉換,所以將動能與位能和稱為力學能。

() 力學能守恆及實例:

1.在無摩擦力的狀況下,動能和位能彼此可互相轉換,但總值不變,此稱為:力學能守恆
例:以單擺的擺動過程即為動能和重力位能彼此互換實
例(如圖一)。
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2.若無摩擦力,則動能及位能
可完全轉換且無能量損失,
亦即:
動能+位能=定值
此關係稱為:
力學能守恆定律

3.單擺振動的過程中:

(1) A點至B點:位能
漸減,動能漸增
,且減少的位能等於增加的動能

(2) B點至C點:擺錘動能漸減,位能漸增且擺錘減少的動能等於增加的位能

4.雲霄飛車即運用力學能守恆的原理,使滑車在無摩擦的軌道上滑行,在上升與下降的過程中皆為動能和位能之間的轉換(如圖二):
3
假設滑車的質量為
m公斤,在A點時的高度為h公尺,說明如下:

(1) 圖二中滑車A下降至B點的過程
能量的轉換為:重力位能動能

(2) 若無摩擦力則滑車在B點的動能恰等於位在A點時的重力位能。
4

(3) 滑車B爬升至A點的過程中能量的轉換為:動能重力位能,且滑車到達A點時的重力位能恰等於位在B點的動能。

(4) 若無能量損失,滑車可以在無其他動力輔助之下;憑藉著力學能的守恆原理上升至C點,且高度相同(即h公尺),故在C點的重力位能等於位在A點的重力位能。

(5) 在實際情況中;摩擦力是存在的,因此滑車運動的過程中有部分的力學能會轉換成熱能,這些熱能散佈在軌道及空氣中無法利用,終至滑車停止。

(6) 承上觀點;於現實世界中因為有摩擦力的存在,故力學能並非守恆的,在作功的過程中有部分的能量會轉變成熱能。

三、能量守恆定律

() 能的轉換與守恆:

1.能量守恆定律」的起源可以回溯到伽利略。不過,明確地主張這個法則可以適用於物理學範圍的卻是德國赫爾姆霍茲

2.焦耳是公認對「能量守恆定律」貢獻最多的一位科學家,他證實熱能是可藉由位能和動能轉換而來。

3.能量的形式有動能、位能、光能、電能、化學能、核能、聲能… 等,(能量具有作功的本領)。

4.各種形式的能量彼此之間會互相轉換,此為能量的特性,但能量的總值是不變的,能量不會無中生有,亦不會憑空無故產生,此即稱為:能量守恆定律

5.在能量轉換的同時,大多會伴隨熱能的產生,被稱為散亂的熱能,因散播在環境中而不能被使用,故可使用的能量會日漸減少。

() 「質」、「能」守恆:

1.整個宇宙可以說是「物質」和「」所組成,在原子核反應前後並不遵守「質量守恆定律」,因為在原子核反應前;反應物的總質量必定大於反應後的總質量,也就是說:部分質量會減少,轉變成能量。

2.原子核反應:原子核反應的形式有原子核融合原子核分裂二種,無論何種形式的原子核反應,在反應的過程中都有質量的損失。

3.原子核能簡稱核能,原子核反應不遵守質量守恆定律,而是遵守質能守恆定律,在反應的過程中損失的質量會轉換成極大的能量,此即稱為:核能

4.若將宇宙視為一個整體系統,質量可以轉換成能量,質量雖然減少了;但是能量卻增加了,所以當我們發現宇宙中的總質量減少了,並非無故消失了,而是轉換成其他型式的能量。

5.愛因斯坦的相對論中提出:質能互換的觀念,在原子核反應中損失的質量會轉換成能量E質量M兩者之間的關係式為:
5

(1) 單位:E為焦耳、M為公斤、C為光速。(C108m/s

(2) 若原子核反應過程中物質損失1公克(10-3公斤)的質量,則可轉換的核能為9×1013J的能量,計算式為:
E
10-3×3×1082  10-3×9×1016
 9×1013J……

6.目前核能的和平運用途只有原子核分裂的形式,原子核融合則因能量過大尚無法運用在和平的用途中,但是一項值得開發的能源之一。

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