8.6: 能量来源
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- 用一般术语描述能量转换和转换
- 解释能源可再生或不可再生意味着什么
在本节中，我们研究了能源。 我们了解到能量可以采取不同的形式，并且可以从一种形式转移到另一种形式。 你会发现，能量是在许多日常和科学背景下讨论的，因为它涉及所有物理过程。 显而易见，许多情况最好通过考虑能量来理解，或者最容易概念化。 到目前为止，没有任何实验结果与能量守恒相矛盾。 实际上，每当测量结果似乎与节能相冲突时，就会根据这一原则发现或识别出新的能量形式。
还有哪些其他形式的能量？ 其中的许多内容将在后面的章节中介绍（另见图\(\PageIndex{1}\)），但让我们在这里详细介绍一些：
- 所有物体内部的原子和分子都是随机运动的。 这些随机运动产生的内部动能称为热能，因为它与物体的温度有关。 请注意，热能也可以通过熟悉的传导、对流和辐射过程从一个地方转移到另一个地方，而不是进行转换或转换。 在这种情况下，能量被称为热能。
- 电能是一种常见的形式，可以转换为许多其他形式，并且确实可以在各种实际情况下起作用。
- 汽油和食物等燃料具有化学能，这是由其分子结构产生的潜在能量。 化学能可以通过氧化等反应转化为热能。 化学反应也可以产生电能，例如在电池中。 反过来，电能可以产生热能和光，例如在电加热器或灯泡中。
- 光只是一种电磁辐射或辐射能，还包括无线电、红外线、紫外线、X 射线和伽玛射线。 所有具有热能的物体都可以在电磁波中辐射能量。
- 核能来自将可测量的质量转化为能量的反应和过程。 核能在太阳中转化为辐射能，在核电厂锅炉中转化为热能，然后在发电厂的发电机中转化为电能。 这些能量和所有其他形式的能量可以相互转化，并且在一定程度上可以转化为机械工作。
能量从一种形式转化为另一种形式一直在发生。 食物中的化学能通过新陈代谢转化为热能；光能通过光合作用转化为化学能。 能量转换的另一个例子发生在太阳能电池中。 阳光照射到太阳能电池上会产生电能，这可以用来运行电动机或加热水。 在一个包含许多步骤的例子中，煤炭中所含的化学能在熔炉中燃烧时被转化为热能，在锅炉中将水转化为蒸汽。 然后，当蒸汽膨胀和旋转涡轮机时，蒸汽中的一些热能被转化为机械能，涡轮机连接到发电机以产生电能。 在这些示例中，并非所有的初始能量都转化为上述形式，因为有些能量总是被转移到环境中。
能源是社会各阶层的重要元素。 我们生活在一个非常相互依存的世界中，获得充足和可靠的能源对于经济增长和维持我们的生活质量至关重要。 世界上使用的主要能源如图所示\(\PageIndex{2}\)。 该图区分了两种主要类型的能源：可再生能源和不可再生能源，并将每种类型进一步分为几种更具体的类型。 可再生能源是通过自然发生的、持续的过程进行补充的能源，其时间尺度远短于使用该能源的文明的预期寿命。 一旦不可再生能源所含的部分能量被提取并转化为其他种类的能量，则不可再生能源就会耗尽。 形成不可再生能源的自然过程通常发生在地质时间尺度上。
我们最重要的不可再生能源是化石燃料，例如煤炭、石油和天然气。 如图所示，它们约占世界能耗的81％。 燃烧化石燃料会产生化学反应，将反应物分子结构中的潜在能量转化为热能和产物。 这种热能可用于为建筑物供暖或操作蒸汽驱动的机器。 内燃机和喷气发动机将燃烧汽油释放的快速膨胀气体的一些能量转化为机械工作。 发电主要来自通过涡轮机将膨胀蒸汽中的能量传递到机械工作中，机械工作在磁场中旋转线圈以发电。 核能是图中所示的另一种不可再生能源\(\PageIndex{2}\)，其供应量约占世界消耗量的3％。 核反应通过将原子核结构中的势能转化为热能来释放能量，类似于化学反应中的能量释放。 从核反应中获得的热能可以转移并转化为其他形式，就像使用化石燃料中的能量一样。
依赖化石燃料燃烧产生的能量的一个不幸副产品是向大气中释放二氧化碳及其对全球变暖的贡献。 核能也带来环境问题，包括核废料的安全和处置。 除了这些重要后果外，不可再生能源的储备是有限的，而且鉴于世界能源消耗的迅速增长，这种储备可能不会超过几百年。 正在作出大量努力，开发和扩大可再生能源的使用，涉及世界上很大比例的物理学家和工程师。
图中列出的四种可再生能源\(\PageIndex{2}\) ——使用植物材料作为燃料的能源（生物质热、乙醇、生物柴油和生物质电）——涉及与刚才讨论的化石和核燃料相同的能量转换和转换。 其他主要类型的可再生能源是水力发电、风能、地热能和太阳能。
水力发电是通过将落水或流动的水的引力势能转化为动能，然后转化为运行发电机或机械的工作来产生的。 转换海洋表面波浪和潮汐中的机械能正在开发中。 风力发电还将动能转化为工作，可以直接用于发电、操作磨坊和推动帆船。
地球内部有大量的热能，其中一部分是其原始形成（转化为热能的引力势能）遗留下来的，一部分是从放射性矿物（一种自然核能）中释放出来的。 这种地热能逃到太空需要很长时间，因此人们通常将其视为可再生能源，而实际上，它在人类的时间尺度上取之不尽，用之不竭。
太阳能的来源是太阳辐射的电磁波携带的能量。 这些能量大部分由可见光和红外（热）辐射携带。 当合适的材料吸收电磁波时，辐射能被转化为热能，热能可用于加热水，或者在集中后产生蒸汽和发电（图\(\PageIndex{3}\)）。 但是，在另一个重要的物理过程，即光电效应中，撞击某些材料的能量辐射会直接转化为电能。 能做到这一点的材料被称为光伏（图中的光伏\(\PageIndex{2}\)）。 一些太阳能系统在通过光伏发电转换能量之前使用透镜或镜子来聚焦太阳的光线，这些系统在图中被认定为CSP\(\PageIndex{2}\)。
在我们完成关于能源和工作的本章时，有必要区分能源使用领域的两个有时被误解的术语。 正如我们前面提到的，“能量守恒定律” 是分析物理过程的一个非常有用的原理。 它无法从基本原理上得到证实，但它是一种非常好的簿记设备，从未发现过例外。 它指出，隔离系统中的总能量始终保持不变。 与这一原理相关但与之明显不同的是重要的节能理念。 这个概念与寻求通过减少活动（例如，关闭恒温器、减少潜水里程）和/或提高执行特定任务（例如开发和使用更高效的开发）的转换效率来减少个人或团体的能量消耗房间取暖器、额定每加仑里程数更高的汽车、节能紧凑型荧光灯等
由于隔离系统中的能量不会被破坏、产生或产生，你可能想知道为什么我们需要关注我们的能量资源，因为能量是一种守恒量。 问题在于，大多数能源转化的最终结果是余热，也就是说，在能量转化中，已经 “退化” 的工作。 我们将在热力学章节中更详细地讨论这个想法。