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第十一章 物理學與能源技術
第二節 能量轉化的方向性和效率
能量的轉化和轉移無處不在。然而，許多情況雖然并不違背能量守恒定律，但在實際情形中卻不會發生，這是為什么呢？
這是因為能量的轉化具有方向性。
能量轉化的方向性
思考：水能從低處往高處流嗎？水能自發地從低處往高處流嗎？
用抽機就能實現水從低處往高處流。
如果水是自發地流只能從高處往低處流，同樣能量的自發流向也不是隨意的，即能量的轉化具有方向性。
能量轉化的方向性
1.討論交流：這些情形可能嗎？
試看分析以下過程能否實現，以及實現過程中的能量轉化情況。
（1）一杯水靜置一段時間后，其中的一部分水自行從另一部分水中吸取熱量，沸騰成水蒸氣 另一部分水則內能減少，凝結成冰
能量轉化的方向性
思考：水能從低處往高處流嗎？水能自發地從低處往高處流嗎？
用抽水機就能實現水從低處往高處流。
如果水是自發地流，只能從高處往低處流，同樣能量的自發流向也不是隨意的，即能量的轉化具有方向性。
能量轉化的方向性
1.討論交流：這些情形可能嗎？
試著分析以下過程能否實現，以及實現過程中的能量轉化情況。
（1）一杯水靜置一段時間后，其中的一部分水自行從另一部分水中吸取熱量，沸騰成水蒸氣 另一部分水則內能減少，凝結成冰
能量轉化的方向性
熱傳遞的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發地進行，但是向相反的方向卻不能自發地進行。
注意：內能總是自發地從高溫物體向低溫物體轉移而不會自發地由低溫物體向高溫物體轉移。
能量轉化的方向性
（2）枯萎的花兒，自發從空氣中吸取能量和水分，重煥青春？
枯萎的花兒，也不可能自發從空氣中吸取能量和水分。
能量轉化的方向性
（3）坡底的巨石從周圍環境中獲取能量，滾向坡頂？
機械能可以全部轉化為內能，而內能不可全部轉化為機械能而不引起其他變化！
能量轉化的方向性
通過以上的分析，很明顯這些過程都是不可能實現的，我們在現實生活中也從未看到這樣的現象發生過。自然界中許多自發的過程都是有方向的，或者說能量的轉化和轉移也是有方向的。
能量轉化的方向性
2.能量流動具有方向性
（1）轉移的方向性
熱量只能自發地從高溫物體轉移到低溫物體，反之要想使熱量自發地從低溫物體流入高溫物體是不可能的。但如果有外界適當的干預，或滿足一定的條件，熱量可以從低溫物體轉移至高溫物體。
例如空調可以將熱量從低溫的室內移至高溫的室外，但外界必須做功，這種轉移才是可能的，空調不開不做電功，這種轉移就是不可能的。
能量轉化的方向性
（2）轉化的方向性
指內能和其他形式的的能量（如電能、機械能等）的相互轉化具有方向性。其他形式的能量可以自發地轉化為內能，而內能不可無條件地轉化為其他形式的能量。
例如鐘表在再次上緊發條之前,終會停下,機械能終會完全轉化為內能，內能不可自發地轉化為機械能。
能量轉化的方向性
總之如果某個過程涉及了熱量，能量的轉化（和轉移）就將是“覆水難收”，無法自發地沿反方向發生，除非我們耗費額外的能量提供幫助。
思考：因為能量是守恒的，所以我們不需要節約能源，這種說法對嗎？并說明原因。
能量轉化的方向性
現實的宏觀世界中，物體間一旦存在溫差，就會有熱量的傳遞；摩擦無處不在，機械能會不斷轉化為內能。我們對能量的利用，無法避免涉及熱量的生成與轉移。于是，每一次能量的利用。都會減少這個世界上可利用、便于利用的能量的總量。
這種說法不正確，因為能量轉化具有方向性。
這就是為什么雖然能量是守恒的，我們仍然要節約能源的原因。
能量轉化中的效率
在實際工作和生活中，人們把一種能量轉化為另一種能量總是有某種目的：
用燃氣灶燒水，目的是為了把水燒熱或燒開；并希望燒水時將天燃氣燃燒產生的熱量完全傳遞給水壺中的水。
使用電梯是為了把人或物體提高到一定的高度；并希望每消耗1千瓦時的電能完全轉化成人或物體的勢能。
能量轉化中的效率
生活經驗告訴我們，這些理想都不可能發生在所有的能量利用過程中，能量損耗不可避免 。
以天燃氣燒一壺水為例：
1.輸入能量
我們把天然氣完全燃燒釋放出的化學能稱為輸入能量。
能量轉化中的效率
3.輸出無效能量
把散發到大氣、壺體中的那部分能量稱為輸出無效能量。
2.輸出有效能量
壺中水吸收的那部分能量稱為輸出有效能量。
能量轉化中的效率
輸入能量=輸出有效能量+輸出無效能量
4.輸入能量、輸出有效能量和輸出無效能量的關系
根據能量守恒定律：
為了進一步描述這些過程，人們定義了能量的轉化效率。
能量轉化中的效率
5.能量轉化效率
即η= ，任何情況下，η<1!
能量轉化效率=
輸出有效能量
輸入能量
其實，在所有的能量利用的過程中，都有以上的關系。
W有
W總
能量轉化中的效率
討論交流各種“效率”
在“機械與功”一章中，我們研究了機械效率，即有用功在總功中所占的比例；在“改變世界的熱機”一章中，我們又知道了熱機的效率，即內能轉化為有用機械能的效率。這些效率，跟我們今天學習的“能量轉化效率”是一回事嗎？為什么？
能量轉化中的效率
機械效率定義:有用功在總功中所占的百分比，叫機械效率，機械效率總小于1。
熱機效率：熱機所做有用功（有效利用的能量）與燃料完全燃燒釋放的熱量之比叫作熱機效率。
熱機工作時總是有能量的損失，所以熱機效率始終小于1。
能量轉化中的效率
提高能量利用中的轉化效率是節能問題的核心，是可持續發展的重要措施之一。
能量轉化效率=
輸出有效能量
輸入能量
即都可表示為：
課堂總結
第二節
能量轉化的方向性和效率
（一）能量的轉化具有方向性
涉及了熱量，能量的轉化（和轉移）是有方向的，無法自發地沿反方向發生，除非我們耗費額外的能量提供幫助。
（二）能量轉化中的效率
輸入能量=輸出有效能量+輸出無效能量
能量轉化效率=輸出有效能量/輸入能量
即η= W有/W總，任何情況下，η<1!
當堂檢測
第二節
能量轉化的方向性和效率
當堂檢測
1. 一般情況下（ ）能只能從高溫物體轉移到低溫物體，不能相反。如冬天，火爐把自己能傳遞給房間里的空氣，供人們取暖；到了春天，我們不能把這些能量重新收集起來供來年再用，上述事例說明：能量的轉化、能量的轉移，都是有（ ）性的；請再舉一個符合這一規律的例子：
內
方向
物塊在地面上因摩擦，部分機械能轉化為內能，這些內能不會再轉化成機械能。
當堂檢測
2．下列說法正確的是（　　）
A．能量是守恒的，所以無需節約能源
B．物體的溫度越高，含有的熱量越多
C．熱量只能自發地從高溫物體轉移到低溫物體，不能相反
D．相同質量的0℃的水比0℃的冰內能少
C
當堂檢測
3．下列關于能量轉移和轉化的方向性的說法中，不正確的是（　　）
A．在自然界中不是所有能量都能利用
B．能量的利用是有條件的，也是有代價的
C．不同溫度的物體發生熱傳遞時，熱傳遞的方向只能從高溫物體到低溫物體，不會相反
D．汽車剎車時，車的動能轉化為內能，這些內能可以全部收集起來，再作為車行駛的動力
D

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