每当吃到一桌美味佳看时,我们往往都对掌勺者赞不绝口.因为经过他的处理,将生的变成了熟的,将不能吃的东西变成丁香甜可口的美食.这是一个变化的过程,在这个过程中,除了掌勺者的技术外,还有一个重要的“角色”——能量(热能),它是由燃料的燃烧释放出来的,如果没有能量,什么人也做不出美味佳看来.在人类生活中,不仅炊事离不开能量,其他一“切变化都离不开能量.无论是物理变化还是化学变化,以及形态、位置等等的任何一个微小改变,都伴随着能量的变化过程.人类从原始社会发展到今天文明发达、五彩绞纷的世界,是在消耗丁大量能量的条件下取得的变化.
从当今社会来看,一个国家要发展,提高电气化、
破碎机械和自动化水平,改善人民的物质文化生活条件,就意味着要消耗更多的能量.换句话说,一个国家人均能耗的多少,可直接反映出这个国家人民生活水平的高低.
综上所述,“能量”就是“产生某种变化(效果)的能力”.反过来说,产生某种变化(效果)必然要伴随能量的消耗或转换.
目前,人类利用的能量有多种形式,但归纳起来有以下几种:
(1)机械能.机械能在物理学中已经学过,它包括宏观的动能和势能.机械能是人类最早认识相利用的能量,如风能、水能等.
(2)热能.队微观上看,热能为分子运动中移动动能的平均值,分子运动包括分子的移动、转动和振动.热能宏观上表现为温
度.地球上最大的热能资源应为地热能.
(3)电能.电能是由带电荷物体的吸力(或斥力)引发的能量.
目前使用的电能主要是由化学能或机械能转换来的.另外,电能也可由光电能转换,或由热能直接转换(磁流体发电).在自然界中,还有雷电等电能.
(4)辐射能.物体以电磁波的形式发射出的能量称为辐射能.物体单位表面积发射能量的大小为Q=9·‘·T‘,其中,6为斯蒂芬—波尔兹曼常数(8=5.67×10—‘w/(mz.K‘)),c为物体表面的热发射率.此外,还有裂变物质所发射的电磁波射线,如。,9PY等.太阳是最大的辐射源.
(5)化学能.化学能是在原子核外进行化学变化时择放出来的一种能量.目前我们所利用的化学能有电池起电或具有正反应热的过程.世界上所消耗的能量目前主要依靠的是放热反应,即
C十O 2=C02十32780kJ儿8,
H2十音o尸H20十120370kJ/k8
S十oI=肋2十9050kJ儿8.
从以上式子可以看出.燃烧同样质量的氢所释放的能量为碳的3.66倍.所以,一种矿物燃料的热值高低可以从其碳氢比XcM看出,碳氢比越高,其热值越低.例如,燃油纳KcM=6—9,烟煤的欠cu=12一l 4,无烟煤的Kcu>20,所以燃油的热值比无烟煤要高得多.
(6)核能.核能是由于物质原子核内结构发生变化而释放出来的巨大能量,又称核内能.与前述的5种能量不同的是,核能本遵守质量守恒和能量守恒定律,它所遵守的是艾恩斯坦定律:
Q=AM.f2.
其中,Q为释放出的能量,Am是质量的变化量‘为光速.
核能可从两种不同的反应中得到:
①核裂变反应.目前,核电站中主要依靠的反应是
露U十6n—x十y十2.门n十200MeV,
其中心为氖气岁x,y为铝xsh每次反应损失的质量为
A则=3.57×10—“(8),
每千克露U有2.6×lo“个原子,所以每千克罗U完全反应后释放
出的能量为
Q=2.6×10”×200×1.602×10—’
=8.33×10’。(N/kg),
约相当于2800t标准煤完全燃烧后释放出来的能量.
②核聚变反应.目前世界上所用的核聚变反应的原料为氢的两种同位素,ErI讯和佩.主要有两种聚变反应:抗一记反应和员一流反应.前者的点火温度为2xlo“c,维持运行温度为5×10“℃*后者的点火温度为4.4×10’t’,维持运行温度为1×l o‘℃.
我国l 952年的氢弹爆炸试验,先是发生裂变反应,其反应时间为几百万分之一秒,产生巨大的热能,使之达到聚变反应所需的温度,从而引发聚变反应.其反应为
6:D一2:He十2p十25n十43.1MeV,
反应中损失的质量为
dDm=764X10—%(8),
聚变反应所释放出的能量和裂变反应所释放出的能量相比为
瓮—瓮·要k4.zz‘6).
上式说明,梢耗同样质量的原料,核聚变反应所释放的能量为核裂变反应的422倍.即每消耗1kg核聚变原料,产生约相当于11816t标准煤完全燃烧后所释放出的热能.