6.2：势能、动能、自由能和活化能

培养技能

• 定义 “能量”
• 解释动能和势能之间的区别
• 讨论自由能和活化能的概念
• 描述内激素和外激反应

能量被定义为工作的能力。 如你所知，能量以不同的形式存在。 例如，电能、光能和热能都是不同类型的能量。 尽管这些都是人们可以看到或感受到的熟悉的能量类型，但还有另一种不那么明显的能量。 这种能量与诸如保持在地上的物体之类的简单事物有关。 为了了解能量流入和流出生物系统的方式，重要的是要更多地了解物理世界中存在的不同类型的能量。

能量的种类

当一个物体在运动时，会有与该物体相关的能量。 以飞行中的飞机为例，有大量的能量与飞机的运动有关。 这是因为移动物体能够进行更改或起作用。 想想一个破坏球。 即使是缓慢移动的破坏球也会对其他物体造成很大的伤害。 但是，没有运动的破坏球无法起作用。 与运动中的物体相关的能量称为动能。 超速子弹、行走的人、分子在空气中的快速移动（产生热量）以及像光这样的电磁辐射都具有动能。

现在，如果同样一动不动的破坏球被抬到装有起重机的汽车上方两层楼怎么办？ 如果悬浮的破坏球不动，有与之相关的能量吗？ 答案是肯定的。 悬浮的破坏球具有与之相关的能量，这与运动中物体的动能有根本的不同。 这种形式的能量源于这样一个事实，即破坏球有可能起作用。 如果它被发布，它确实会起作用。 因为这种能量是指工作的潜力，所以它被称为势能。 物体通过以下方式在动能和势位之间转移能量：当破坏球一动不动地悬挂时，它的动能为零，势能为100％。 一旦它被释放，它的动能就会开始增加，因为它会由于重力而提高速度。 同时，当它靠近地面时，它会失去潜在能量。 在秋季中旬的某个地方，它有50％的动能和50％的潜在能量。 就在它击中地面之前，球几乎失去了潜在能量，动能接近最大。 其他潜在能量的例子包括大坝后面的水的能量（图\(\PageIndex{1}\)），或者即将从飞机上跳下来的人。

图\(\PageIndex{1}\)：大坝后面的水具有潜在能量。 流动的水，例如在瀑布或快速流动的河流中，具有动能。 （来源 “dam”：修改 “Pascal” /Flickr 的作品；来源 “Waterfall”：弗兰克·瓜尔铁里对作品的修改）

势能不仅与物质的位置有关（例如孩子坐在树枝上），还与物质的结构有关。 地面上的弹簧如果被压缩，就会有潜在的能量；拉紧的橡皮筋也是如此。 活细胞的存在在很大程度上依赖于结构势能。 在化学层面上，将分子原子固定在一起的键具有势能。 请记住，合成代谢细胞途径需要能量才能从更简单的分子中合成复杂的分子，而分解代谢途径在复杂分子被分解时释放能量。 某些化学键的分解可以释放能量，这意味着这些键具有潜在的能量。 实际上，在我们吃的所有食物分子的键中都储存着潜在的能量，这些能量最终被用来使用。 这是因为这些键在破裂时会释放能量。 存在于化学键中并在这些键断裂时释放出来的势能类型称为化学能（图\(\PageIndex{2}\)）。 化学能负责为活细胞提供食物中的能量。 能量的释放是通过破坏燃料分子中的分子键来实现的。

图\(\PageIndex{2}\)：汽油（辛烷，所示化学式）中的分子在化学键中含有化学能。 这种能量被转化为动能，使赛车能够在赛道上比赛。 （来源 “汽车”：罗素·特罗对作品的修改）

链接到学习

访问此网站并在菜单（在 “谐波运动” 下方）中选择 “简单摆锤”，查看运动中摆的动态变化（K）和势能（U）。

免费能源

在得知化学反应在能量储存键破裂时会释放能量之后，下一个重要问题是如何量化和表达与化学反应相关的能量？ 如何将一种反应释放的能量与另一种反应释放的能量进行比较？ 自由能的测量用于量化这些能量传递。 自由能以开发测量方法的科学家约西亚·威拉德·吉布斯的名字命名为吉布斯自由能（用字母 G 缩写）。 回想一下，根据热力学第二定律，所有能量转移都涉及以不可用形式（例如热）损失一定数量的能量，从而产生熵。 Gibbs 自由能专门指与化学反应相关的能量，这种能量在计算熵后可用。 换句话说，吉布斯的自由能是可用能量，或可用于工作的能量。

每一次化学反应都涉及自由能的变化，称为 delta G (G)。 可以计算任何经历这种变化的系统（例如化学反应）的自由能变化。 要计算 ΔG，请从系统的总能量变化中减去熵损失的能量（以 S 表示）。 系统中的总能量变化称为熵，表示为 H。 计算 ΔG 的公式如下，其中符号 T 表示以开尔文为单位的绝对温度（摄氏度 + 273）：

在此站点观看从自由能转变为过渡状态的动画。

化学反应物所需的活化能来自哪里？ 推动反应向前推进所需的活化能来源通常是来自周围的热能。 热能（化学反应中反应物或产物的总键能）加快了分子的运动，增加了它们碰撞的频率和力；它还会稍微移动分子内的原子和键，帮助它们达到过渡状态。 因此，加热系统将导致该系统内的化学反应物更频繁地发生反应。 增加系统的压力也有同样的效果。 一旦反应物从周围环境吸收了足够的热能以达到过渡状态，反应就会继续。

特定反应的活化能决定其进行速度。 活化能越高，化学反应就越慢。 铁生锈的例子说明了本质上是缓慢的反应。 由于其高E _A，这种反应会随着时间的推移缓慢发生。 此外，除非火花产生的充足热量消耗了许多燃料的活化能，否则其燃烧速度将可以忽略不计。 但是，一旦它们开始燃烧，化学反应就会释放足够的热量来继续燃烧过程，为周围的燃料分子提供活化能。 就像细胞外的这些反应一样，大多数细胞反应的活化能过高，热能无法有效克服。 换句话说，为了使重要的细胞反应以可观的速度（每单位时间的反应次数）发生，必须降低其活化能（图\(\PageIndex{1}\)\(\PageIndex{5}\)）；这被称为催化。 就活细胞而言，这是一件非常好的事情。 重要的大分子，例如蛋白质、DNA和RNA，会储存大量能量，并且它们的分解是有效的。 如果仅靠细胞温度就能为这些外激反应提供足够的热能以克服其激活屏障，那么细胞的基本成分就会分解。

艺术连接

图\(\PageIndex{5}\)：活化能是反应进行所需的能量，如果反应被催化，则活化能较低。 此图的水平轴描述了事件的时间顺序。

如果不需要活化能来分解蔗糖（食用糖），你能把它储存在糖罐里吗？

摘要

能量有许多不同的形式。 运动中的物体起到物理作用，而动能是运动中物体的能量。 不运动的物体可能有起作用的潜力，因此具有潜在的能量。 分子也有潜在的能量，因为分子键的断裂有可能释放能量。 活细胞依赖于从分子键中收集潜在能量来发挥作用。 自由能是衡量可用于工作的能量的指标。 系统的自由能在能量传递（例如化学反应）期间发生变化，这种变化被称为 G。

反应的 G 可以是负值也可以是正值，这意味着反应分别释放能量或消耗能量。 释放能量的负 ΑG 的反应称为外激反应。 一种具有正值且需要能量输入的 △G 的反应称为内能反应。 据说 Exergonic 反应是自发的，因为它们的产物比反应物具有更少的能量。 内能反应产物的能量状态高于反应物，因此这些是非自发反应。 但是，所有反应（包括自发的-G 反应）都需要初始能量输入才能达到过渡状态，在此状态下它们将继续。 这种初始能量输入称为活化能。

艺术联系

图\(\PageIndex{3}\)：查看所示的每个过程，然后确定它是内源性还是外激性。 在每种情况下，熵会增加还是减少，熵会增加还是减少？

回答

堆肥堆分解是一个运动过程；熵增加（能量释放），熵增加（大分子被分解成较小的分子）。 宝宝从受精卵中发育出来是一个内能过程；熵降低（能量被吸收），熵降低。 沙子艺术被摧毁是一个运动过程；熵没有变化，但熵会增加。 滚球下坡是一个运动过程；熵会降低（能量被释放），但熵没有变化。

图\(\PageIndex{5}\)：如果不需要活化能来分解蔗糖（食用糖），你能把它储存在糖罐里吗？

回答

不。 我们可以储存化学能，因为需要克服化学能分解的障碍。

词汇表

活化能

发生反应所需的能量

化学能

化学键中的势能，当这些键断裂时会释放出来

endergonic

描述需要能量输入的化学反应

熵

系统的总能量

exergonic

描述释放自由能的化学反应

自由能量

Gibbs 自由能是可用能量或可用于工作的能量。

热能

化学反应中反应物或产物的总键能

动能

与运动中的物体或粒子相关的能量类型

潜在能量

有可能起作用的能量类型；储存的能量

过渡状态

化学反应过程中出现的高能、不稳定状态（基质和产物之间的中间形态）