化学能、内能、核能 太阳内部发生核变产生的核能是否是内能?

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三者的关系是:内能包括化学能、核能、分子动能、分子位能等。
化学能是分子 离子 原子的重新组合所放出的能量,由于它们之间能量不同,于是就有了吸收和放出能量
内能是分子 原子的动能和势能的总和,在宏观表现出来的就是热
核能是由原子核发生核裂变或核聚变所放出的能量

大概除了光形态的能之外,能本身不是一种东西,而是指东西的一种状况或状态。譬如我们上面所提到的,举到高处的物体,具有势能(或称位能),因为它具有一种状态,可以掉落下来撞到下面的桌子或打破在它下面的玻璃。挥打出去的高尔夫球具有能量(动能),因为相对於地面,它具有速度,也具有位能,因为它在地面之上。

若把许多东西聚在一起称为系统,这系统在某一状态下具有的能称为内部能量(internal energy) E。两个平衡的状态,其内部能量的变化(△E = E2 -E1)等於传入系统的热(Q)减去系统作功所消耗的能量(W),即 △E = Q - W。

一个系统有内部能量,还有系统变化过程的转移能量(transitional energy),即热和功。内部能量包括储能(stored energy)及动能,两者可以互相转变。转移能量不能储存,或者个别保存,因为它们是依过程而定。

储能又称为势能 (potential energy),就是以不同形态储存起来的能,动能则是指工作能(working energy),即在运动中具有的能。储能的形态有内能、位能(重力位能和弹力位能)、电磁能、光能(辐射能)等,内能又包括化学能、核能、分子动能、分子位能等。从基本的观点而言,这几种形式的能量无法清楚地加以划分,例如热能与物质内分子的动能有关;辐射能包括光能,是电磁波所携带的电磁能等。

一个坚硬不变形的物体在运动时,通常包含了两种运动,一是移动,一是转动。这两种运动都会产生动能,就是移动动能和转动动能。对物体作功时,可能使其获得动能,或重力位能,或弹力位能,这些都是力学能。声音也是一种特殊的力学能,因为声波也可以传递力学能。

电磁能包括电能和磁能,磁能的例子常见的是永久磁铁,它能吸引铁钉,因而对铁钉作功,这个作功的过程是把磁能传递到铁钉成为它的动能;至於电能更是我们日常生活所常见,电风扇的转动、电动车的行驶都是电能的具体表现。

电磁能中还可再分出磁位能与电位能来。如悬吊两个磁铁,把它们的北极相互推近,则它们有互相排斥的趋势,当我们用力把它们挤近,我们便对这两个磁铁做了功,这时两个磁铁的磁位能增加了,当我们松手时,这两个磁铁会跳开,亦即把磁位能释放出来,变成两磁铁的动能。如将两个带异性电荷的物体靠近悬在一起,则它们有互相吸引的趋势,当我们用力把它们拉开,我们就对物体做了功,它们的电位能增加了,如果我们松手,这两个带电物体会互相跑向对方,将电位能变成动能。

位能有一点很重要的是:当两物体之间有作用力时,不论是重力、电力、磁力、核力……它们之间与此力有关的位能(或势能)是属於它们共有,而不是单独属於其中任何一个物体的。

各种形态的能量可以互相转换,而且我们为了使用方便,也往往特意把某种形态的能量转换成另一种形态。当能量的形态改变时,固然一直维持著总能量的守恒,但其中总会有一部分的能量是我们无法使用的,以致损失了这部分的能量。例如燃烧汽油使汽车引擎运转,主要是把化学能转换成动能来用,但在这一过程里无法避免地会使引擎发热,而这个热量对我们并无用处,只能任它逐渐散逸到大自然中,这一部分能量便损耗了。当能量的形态在各种过程中一再改变时,能量的损耗也就一再地伴随发生。

化学能与核能

某些物质由於它们本身特有的化学组成而拥有潜在的能量,叫做化学能。往往在发生化学变化时,这些化学能就可以释放出来而作功,通常是以热能的形式出现,但有时也会以光能或电能方式呈现,因此化学能也可看成是势能的一种。例如汽油含有大量的化学能,当它燃烧时可以放出大量的热能,把水烧成水蒸气,推动活塞而作功;又如电池,可以把化学能转变成电能作功。化学能与核能也都可以看成是势能,亦即储存起来的能量。

核能是原子核内所潜藏的能量,当某些原子核如铀和钸等,分裂时会放出大量的能。一公斤的铀在核子反应器内分裂时,所放出来的能量,比一公斤汽油燃烧所放出的能量大两百万倍。又当某些较轻的原子核在高温之下融合成较重的原子核时,也会放出大量的能。核能也是势能的一种,经过上述的核反应及相关设备,可以把核能转变成热能,用来发电。

在地球上,太阳是万能之源。在太阳内部,核子的融合反应一直不断地进行著,能量也不停地向外释放,这种能量以太阳光的形式传到地球上。太阳光是电磁波,以各种波长的电磁波传递能的过程,称为辐射;各种电磁波的能,总称为辐射能。

我们每天从太阳接收大量的免费能量,但是到目前为止仍然只有极少数有效的方法可以用来撷取这些能量,并把它转化成更有用的能量形态。太阳电池是其中一种方法,利用某种特殊材料吸收阳光,以化学能的形式储存或直接变成电能。太阳电池的构想,是从大自然本身得到的启示,也就是植物体中的光合作用。

维持地球上所有活动的总能源,绝大部分来自太阳。全人类所需要的粮食和部分燃料是透过光合作用,把二氧化碳和水变成醣类而得来的。在所有的能量中,化学能是最重要的可储存能量。目前我们使用的能源,主要是水力和化石燃料(包括石油和煤),而水力是依赖太阳热能维持水文循环所得到的;至於化石燃料的成因,是过去数亿年来在地球表面靠植物的光合作用累积下来的,也就是以化学能的形态保存下来的古代辐射能。

热能

热从高温的物体传到低温的物体,或者从一个物体的高温部分传到低温部分,有三种方式,即传导、对流和辐射。

在化学反应中由反应物到最后的生成物,所放出的热量或所吸收的热量是一个定值,也就是说与中间产物的形式无关。

若光能完全被一物质吸收,该物质所含的热能即增加。若该物质与周围其他物体无任何热的交换,则该物质所吸收的光能,通常会完全转换成为热能。而光电池是将光能转变成电能的装置。

我们也可以用光的能量促成化学反应,在这些反应中,物质的分子吸收了光,在还没有来得及转变成热能(原子的动能)之前,就改变了物质的组成而将光能量转变成化学能(就是光化学反应)。

能量守恒原理

能量虽有各种不同形态,但能不会无中生有,也不会自行消失,而只可由一种形态变成另一种形态。「宇宙间的总能量保持不变」,即是能量守恒定律,但在日常生活中,我们会发现单一形态的能,以力学能为例似乎不守恒,例如单摆最后会慢慢停下来,也就是说力学能其实会随著运动的进行而越来越少,只是每摆动一次所减少的量很细微而已,这些减少的能量是因单摆与空气的摩擦,而变成热能,此一现象便称为能的逸散。

物体在运动的过程中,位能与动能的总和是一定的。此外,实际的物体与质点并不一样,它还有内部的能量。能量可以在一作用系统中转换成不同形式,若予以仔细计算,其总能量在作用过程之前、中或后都是保持一定的。

例如,炮弹在空中爆炸之前,具有运动的动能,而其位能则是因为它在地球重力场中由於位置的关系所具有,另有炸药中的化学能量。为了证明能量守恒原则,就要做些不轻松的量测工作,诸如分析爆炸后每一碎片的动能、位能、内部能量,还要量测产生的热气的内能(热)及其动能等等。

科学家做过无数次的实验测试,已证明了能量守恒原理,它不是自然界中的新定律,而是操控我们宇宙的自然定律。

能量的单位

基本物理学教科书使用焦耳 (joule)做为能量的单位(是热能的单位)。一焦耳大约等於把一公斤的质量举高一公尺所增加的位能的十分之一,也大约是这个质量自一公尺高处自由落下,在刚要触及地面之前动能的十分之一。一焦耳等於一千万耳格(107 erg),也等於一安培电流在一秒钟内流过一欧姆的电阻线路时转化为热能的量(一瓦特秒)。

我们常用的公制热量单位为卡(或卡路里,calorie),一卡是一克的水升高温度摄氏1度所需的能量。一焦耳约等於 0.24 卡,一英热单位(B.T.U.)约等於 252 卡,或者一卡约等於 4.18 焦耳,4.18 又称为热功当量。

另一种能量的单位是住家所熟悉的瓩小时(kilowatt hour),即一千瓦的功率作功一小时的能量,也就是通称的一度电,我们的电费是按这种单位计算的。一瓩小时相当於 3.6 百万焦耳,你只要付几元新台币就可得到这麼多的焦耳!一秒钟使用一焦耳的能量等於一瓦特(watt)。

不过,在微观的尺度上,讨论次原子粒子的能量时,我们需要新的量测单位。即使是一焦耳也是巨大的能量,所以我们就用电子伏特 (electron volt, ev)做为能量单位,它代表著把一个电子「提高」一伏特电位能所需的能量,也等於一个电子跨过电位差为一伏特的电池两电极之间的空隙,所得到的能量。要有6 × 1018 ev的能量才等於一焦耳,这两种能量单位间的比值差距这麼大,也可以显示出微观的量和我们日常生活的规模有多大的差异了。

系统的温度也可以用来量测系统中粒子的平均动能。凯氏温标(K)一万度时,系统中每一个分子的平均动能约为一电子伏特。因此,一物体在室温(约凯氏 300 度)之下,分子的平均动能大约是一电子伏特的三十分之一。

能的来源

前面曾提到能有不同的形态,各形态之间可互相转变,但总能量保持不变。我们现在取得石油的化学能(亦是来自古代的太阳能),燃烧变成热能,再转变成车子的动能等,基本上,总能量前后并没有改变。种植甘蔗,是由太阳吸取最初的能源,转化成化学能,将甘蔗压榨出糖汁,经发酵的化学反应制成酒精,又是另一种化学能(酒精具有化学能),酒精可以经过不同途径变成车辆的动能(如以酒精做为燃料),其总能量在宇宙中还是维持一定。

宇宙创造伊始之际,最初能量从哪里来?在极高温的初始条件下,物质与能量混沌在一起,现在的高能物理学家和宇宙学家,正在探讨大霹雳当时能量、物质的来源,也许有朝一日,可以给我们较清楚的答案。

内能:
内能是指物体整个系统内部所具有的能量,包括大量分子无规则运动的动能,分子的转动动能,分子之间相互作用的势能,原子及原子核的能量。由于在热力学过程中原子及原子核的能量是一个不变量,所以通常所指的内能是指分子无规则运动的动能、分子的转动动能和分子之间相互作用的势能之和。
化学能
在化学反应中吸收或者释放的能量就叫做化学能,化学能的来源是在化学反应中由于原子最外层电子运动状态的改变和原子能级发生变化的结果
核能:
原子核发生变化所释放和吸收的能量
通常有重核的裂变(U238) 和轻核的聚变(氘,氚) 释放的能量相当巨大E=MCC

化学能是分子 离子 原子的重新组合所放出的能量,由于它们之间能量不同,于是就有了吸收和放出能量
内能是分子 原子的动能和势能的总和,在宏观表现出来的就是热
核能是由原子核发生核裂变或核聚变所放出的能量

内能:
内能是指物体整个系统内部所具有的能量,包括大量分子无规则运动的动能,分子的转动动能,分子之间相互作用的势能,原子及原子核的能量。由于在热力学过程中原子及原子核的能量是一个不变量,所以通常所指的内能是指分子无规则运动的动能、分子的转动动能和分子之间相互作用的势能之和。
化学能
在化学反应中吸收或者释放的能量就叫做化学能,化学能的来源是在化学反应中由于原子最外层电子运动状态的改变和原子能级发生变化的结果
核能:
原子核发生变化所释放和吸收的能量
通常有重核的裂变 和轻核的聚变

又复习一遍

http://ylwuli.8.5ihost.com/2005%20zk%20html%20test/2005zkfx07/szc3wl0537.htm

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