16.1: 阳光来源-热能和引力

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

识别不同形式的能量
了解能量守恒定律
解释能量转化的方式

能源是一个难以理解的概念，因为它以多种不同的形式存在，任何简单的解释都无法理解。在许多方面，理解能源就像理解财富：财富形式截然不同，它们遵循不同的规则，这取决于它们是股票市场、房地产、旧漫画集、大量现金，还是许多其他赚钱和亏损方式之一。讨论一两种形式的财富或能量要比一般地讨论这个概念要容易得多。

在努力了解太阳如何能在这么长时间内消耗如此多的能量时，科学家们考虑了许多不同类型的能量。十九世纪的科学家知道太阳能量的两种可能来源：化学能和引力。他们最熟悉的化学能来源是燃烧木材、煤炭、汽油或其他燃料（化学术语是氧化）。我们确切地知道这些材料的燃烧能产生多少能量。因此，我们可以计算出，即使太阳的巨大质量由煤炭或木材等可燃物质组成，我们的恒星在几千年内也无法以目前的速度产生能量。但是，我们从地质证据中得知，将近40亿年前，地球表面存在水，因此太阳至少在那段时间内一直闪耀着明亮的光芒（并使地球变暖）。今天，我们还知道，在太阳的温度下，没有什么能像实木或煤炭那样存活。

什么是瓦特？

简单介绍一下我们正在使用的单位。瓦特 (W) 是一个功率单位，是单位时间消耗或释放的能量。它以焦耳每秒 (J/s) 为单位测量。你从日常经历中知道，这不仅仅是你消耗了多少能量，还在于你消耗了多长时间。（在 10 分钟内燃烧 10 卡路里所需的运动与在一小时内燃烧这 10 卡路里的热量完全不同。）瓦特告诉你能量的消耗速率；例如，一个 100 瓦的灯泡每秒消耗 100 焦耳 (J) 的能量。

那么，焦耳有多大？一名73千克（160磅）的天文学教练因为上课迟到而以大约每秒4.4米（每小时10英里）的速度跑步，他的运动能量约为700焦耳。

节约能源

十九世纪其他试图确定什么使阳光照耀的尝试使用了节能定律。简而言之，该定律规定能量不能被创造或摧毁，但可以从一种类型转化为另一种类型，例如从热能转化为机械能。蒸汽机是工业革命的关键，它就是一个很好的例子。在这种类型的发动机中，来自锅炉的热蒸汽驱动活塞的运动，将热能转化为运动能量。

相反，运动可以转化为热量。如果你在一次特别精彩的天文学讲座结束时用力拍手，你的手掌就会变热。如果你在桌子表面擦冰，摩擦产生的热量会融化冰。汽车的刹车利用摩擦力来降低速度，并在此过程中将运动能量转化为热能。这就是为什么汽车停下来后，刹车会很热；这也解释了为什么在漫长的山路上行驶时不小心使用刹车会过热。

在十九世纪，科学家们认为太阳的热源可能是落入太阳的陨石的机械运动。但是，他们的计算表明，为了产生太阳发射的总能量，每100年必须落入太阳的陨石中的质量将等于地球的质量。根据开普勒第三定律，由此产生的太阳质量的增加将使地球轨道周期每年改变2秒。这种变化很容易衡量，事实上并未发生。然后，科学家们可以反驳这是太阳能量的来源。

作为能量来源的引力收缩

大约在十九世纪中叶，英国物理学家开尔文勋爵和德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（图\(\PageIndex{1}\)）提出了另一种解释，他们提出，太阳可以通过将引力能转化为热量来产生能量。他们认为，由于重力，太阳的外层可能正在向内 “掉落”。换句话说，他们提出，太阳的大小可能会缩小，从而保持炎热和明亮。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)开尔文（1824—1907）和亥姆霍兹（1821—1894 年）。（a）英国物理学家威廉·汤姆森（开尔文勋爵）和（b）德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹提出，太阳在自身引力下的收缩可能是其能量的原因。

想象一下，如果这个假设成真会发生什么，想象一下太阳的外层开始向内掉落。这个外层是由单个原子组成的气体，所有原子都沿着随机的方向移动。如果一层向内掉落，原子会因为下落运动而获得额外的速度。当外层向内掉落时，它也会收缩，使原子靠得更近。碰撞的可能性更大，其中一些会将与坠落运动相关的额外速度传递给其他原子。这反过来又提高了这些原子的速度。气体的温度是衡量其内部原子的动能（运动）的指标；因此，太阳这层的温度会升高。碰撞还将原子内的电子激发到能量更高的轨道。当这些电子返回正常轨道时，它们会发射光子，然后光子可以逃离太阳（参见 Radiation and Spectra）。

开尔文和亥姆霍兹计算出，太阳以每年仅约40米的速度收缩足以产生它现在正在辐射的能量。纵观人类历史，如此缓慢的收缩导致太阳大小的缩小是不可察觉的。

如果我们假设太阳的生命始于一个大型的漫射气体云，那么我们可以计算出太阳在其整个生命周期中从非常大的直径收缩到现在的大小时辐射了多少能量。能量约为 10 ⁴² 焦耳。由于太阳的亮度为4×10 ²⁶ 瓦特（焦耳/秒）或每年约10 ³⁴ 焦耳，因此收缩可以使阳光保持目前的速度照射大约1亿年。

在十九世纪，起初1亿年似乎足够长，因为当时人们普遍认为地球比这年轻得多。但是在那个世纪末直到二十世纪，地质学家和物理学家表明，地球（以及太阳）实际上要古老得多。因此，收缩不可能成为太阳能的主要来源（尽管正如我们将在《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》中看到的那样，一段时间以来，收缩是刚刚出生的恒星的重要能量来源）。因此，科学家们面临着一个巨大的难题。要么是未知类型的能量是人类已知的最重要的能量来源，要么必须认真修改对太阳系（和地球上的生命）年龄的估计。查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的进化论需要比太阳理论似乎允许的更长的时间跨度，但对这些结果感到沮丧，并一直担心这些结果，直到1882年去世。

直到二十世纪，才确定了太阳能量的真正来源。解开这个难题所需的两个关键信息是原子核的结构和质量可以转化为能量的事实。

关键概念和摘要

太阳每秒产生大量的能量。由于地球和太阳系已有大约45亿年的历史，这意味着太阳在很长一段时间内一直在产生大量能量。化学燃烧和引力收缩都不能解释在这段时间内太阳辐射的总能量。