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主要内容

能量的类型

能量以及其如何改变形式。动能,势能,和化学能。

介绍

拥有能量是什么意思?不如想想你早上醒来的感觉。如果你有很多能量,这可能意味着你感觉清醒,准备好面对一切,也能够做白天需要做的事情。如果你没有能量(也许是因为你没有睡够8个小时),那么你可能就不会想起床、四处走动或者做你需要做的事情。
虽然这种能量的定义是日常的而不是科学的定义,但它实际上与更正式的定义有很多共同点(并且能够给你一种很有用的记忆方式)。具体来说, 能量 被定义为做功的能力——就生物学而言,这可以被认为是引起某种变化的能力。能量可以有许多不同的形式:例如,我们都熟悉光能、热能和电能。
在这里,我们将看一看一些在生物系统中特别重要的能量类型,包括动能 (运动能量)、势能 (位置或结构造成的能量) 和化学能 (化学键的势能)。能量永远不会失去,但它可以从这些形式中的一种形式转换为另一种形式。

动能

当一个物体在运动时,就会有与该物体相关的能量。为什么会出现这种情况?移动对象能够导致一种变化,或者换句话说,可以做功。比如,想想一个拆楼机上的破碎球。即使是移动缓慢的破碎球也会对另一个物体造成很大的伤害,比如一栋空房子。然而,不移动的破碎球并不能起到任何作用,即不会做功(不会在打入任何建筑物中)。
与物体运动相关的能量被称为 动能 。一颗快速移动的子弹, 一个行走的人和像光一样的电磁辐射都具有动能。动能的另一个例子是与原子或分子的恒定、随机跳动相关的能量。这也称为 热能 —— 热能越大,原子运动的动能就越大,反之亦然。一组分子的平均热能就是我们所说的温度, 当热能在两个物体之间传递时,就被称为热量。

势能

让我们回到我们的破碎球的例子。一动不动的破碎球没有任何动能。但是,如果用吊车把两层楼抬起来,悬停在车上方,会发生什么呢?在这种情况下,撞球并没有移动,但其实与之相关的能量仍然存在。悬空的破碎球的能量反映了它的潜力去做功(在这种情况下,是造成损坏)。如果破碎球被释放,它就会通过把一个人可怜的车的压成煎饼来做功。而如果球更重,与之相关的能量会更大。
大坝后面的水的图像。
图片来源:OpenStax Biology, Pascal 的 “水坝”
这种类型的能量被称为 势能 , 它是由于物体的位置或结构而与它相关的能量。例如, 分子化学键中的能量与分子的结构及其原子的相对位置有关。 化学能 ,也就是储存在化学键中的能量,因此被认为是一种势能。一些有关势能的日常例子包括大坝后面的水的能量,或者即将从飞机上跳伞的人的能量。

能量转化

一个物体的能量可以从一种形式转换为另一种形式。例如,让我们考虑我们最喜欢的例子——破碎球。当破碎球一动不动地挂在几层楼高的时候,它没有动能,但有很多势能。一旦球被释放,它的动能就开始增加,因为它由于重力而建立速度,而它的势能开始减少,因为它不再离地面那么远。就在球落地前,球几乎没有势能却具有很多动能。
辛烷的示意图、辛烷的球棒模型和一辆超速赛车的图像。
图片来源:OpenStax Biology. 下面的图片 “Car”是由 Russell Trow 修改。
同样的转换也可以和化学能量发生,而且我们在日常生活中看到了很多这方面的例子。例如,在汽油中发现的辛烷(一种碳水化合物)由于其分子结构而具有化学能 (势能),如上图所示。这种能量可以在汽油燃烧时释放在汽车发动机时,产生高温气体来移动发动机的活塞,并最终推动汽车前进(动能)start superscript, 1, end superscript。 部分化学能转化为汽车的动能,而其他部分被转换为热能并作为热量从发动机散发出去。
能量可以以相似的方式在生物体内改变形式。例如,存储在小分子ATP化学键内(势能)的能量可以为马达蛋白和它的货物沿着微管轨道的运动,或者为移动肢体时肌肉细胞的收缩提供动力。