能量轉化的科學論文
自然界的形成、發展及其演化源於物質本身具有的能量，源於物質能量轉化和物質能量的守恆。下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!
篇一
淺談人體中的能量轉化
摘要：本文結合能量概念和能量守恆定律，討論了人體生命現象中的能量轉化等問題。主要內容包括能量形式的多樣性、能量守恆定律的重要意義、人體中的能量轉化、體溫和體溫調節等。
關鍵詞：能量守恆定律 能量代謝 體溫調節 醫用物理 教學研究
一、能量形式的多樣性
自然界的任何過程，包括人類的生產活動和人體的生命活動都離不開能量。弄清楚能量概念，掌握能量守恆定律，對指導人們的生活、工作和學習，都具有重要而普遍的意義。在國際單位制中，能量的單位是焦***J***;在研究微觀粒子時，也常用電子伏***eV***為能量的單位，。能量通常以機械能、內能、電能、原子能和化學能等多種形式出現在不同的運動中，並通過作功或傳熱等方式進行轉化或轉移。人體生命活動中的能量主要來源於攝入食物的氧化分解。
機械能包括動能和勢能***重力勢能、彈性勢能***。動能的變化通過機械功，按動能定理與勢能、內能、電能等其他形式能量進行相互轉化。
內能是由系統內部狀態所決定的能。一般地說，系統是由大量分子、原子組成的，系統的內能是全部微觀粒子的各種能量總和***包括系統中所有粒子的動能、勢能、化學能、電離能、核能等***。由於在系統所經歷的熱力學過程中，物質原子和原子核的結構一般都不發生變化，即這一部分能量保持不變，可作為常量從中扣除。從微觀角度來看，系統的內能一般包括因分子熱運動所具有的分子的動能和因分子間相互作用而決定的分子的勢能。通常，就把系統中所有分子的動能和分子的勢能總和，稱作系統的內能。從巨集觀角度來看，人們更加關注在系統的能量轉化和轉移的熱力學過程中，系統的內能究竟發生了多大的變化。作功和傳熱是改變物體內能的兩種方式。在能量轉化和轉移過程中，內能的變化、功和熱量三者之間必須符合能量守恆定律。
電勢能是指電荷因受靜電力作用和在靜電場中的位置不同而具有的能量。電勢能的變化與電場力的功相聯絡。在電路中，電流作功時，電能與其他形式的能相互轉化。通常情況下，電流或帶電體所攜帶的電能，可以用導線來傳輸，且易於轉化為其他形式的能。實際應用中，電能要由電源來提供。電源是將其他形式的能轉變為電能的裝置。電源提供的電能必須通過非靜電力對電荷作功的方式從其他形式的能轉化而來。例如，發電機把機械能轉化為電能;乾電池是把化學能轉化為電能;太陽能電池則是把太陽能直接轉化為電能。
化學能是物質在發生化學反應過程中所釋放出的能量***如汽油、煤炭、木頭，通過燃燒過程釋放的能量***，營養物質在人體內發生的生物化學過程也會釋放出化學能。在化學反應過程中，原物質的分子發生變化，重新組合生成新的化學物質，將引起化學能的變化，並伴隨著放熱或吸熱現象的發生。
原子能***也稱原子核能或核結合能***是原子核內部發生運動變化時釋放出的能量。如重核裂變和輕核聚變時會釋放出巨大的能量，這是人類尋找新能源的主要途徑。放射性核素在衰變過程中所放出的射線***主要指其中的γ射線***，在醫學診斷和治療技術中具有廣泛的應用，這也是原子能應用的一個重要方面。
1905年，愛因斯坦在狹義相對論中提出了著名的質能公式E=mc2。愛因斯坦的質能公式對指導人類最終解決新能源問題具有重要意義。質能公式***也稱質能關係***在能量和質量之間建立了當量關係，能量概念因此增添了新的涵義。質能公式將原來似乎互不相干的質量守恆和能量守恆實現了統一。
儘管在2011年3月11日發生了日本大地震和海嘯，並因此導致核洩漏，引起了人們的恐慌，但這決不會阻擋人類探索原子能和平利用的步伐。
二、能量守恆定律的重要意義
無論以什麼方式，能量既不會創生，也不會消滅，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化和轉移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恆定律。
恩格斯認為，“人們只是在學會了摩擦取火以後，才第一次迫使某種無生命的自然力替自己服務”。熱現象是人類最早觀察和認識的自然現象之一，也是人們用以征服大自然和改造世界最早、最強有力的手段。
從18世紀末到20世紀40年代，有6個國家的10多位科學家從不同角度獨立地提出了能量守恆的觀點。例如，德國物理學家、醫生邁爾、英國物理學家焦耳等人對此都作出了重要貢獻。毫無疑問，能量概念和能量守恆定律是自然界中最重要的概念和規律。能量守恆定律的發現，是科學發展史上的一個重要的里程碑。恩格斯把它和細胞的發現及達爾文的進化論一起，稱為是19世紀自然科學的具有決定意義的三大發現。自然界中的一切現象通過能量守恆定律相互聯絡起來。能量守恆定律的確立，標誌著人們已經從各種區域性規律的探索，上升到能夠把握形式多樣的能量轉化和傳遞過程的共同特徵。物質的不同運動形式及其相互轉化是物質世界固有的特徵，永遠不會停息。能量守恆不僅具有數量上的意義，並且指明瞭物質運動的不滅性和永恆性。
在歷史上，曾有人幻想製造出這樣一種機器，它只對外作功而不消耗任何能量，人們稱這種機器為“第一類永動機”。所有這樣的幻想最終都必定要破滅，原因就是它違背了能量守恆定律。科學已經定論，“第一類永動機不存在”。這是科學對“永動機”的最終的宣判。但是，目前世界上仍然還有人在繼續著永動機的幻想和實踐，這樣的人主要有兩類：一類是痴迷者，不懂科學非要造永動機，當然永遠造不成;另一類則是純粹的騙子，都是為了騙錢而耍弄花招。
三、人體中的能量轉化
自然界的一切過程都必須遵從能量守恆定律，人體的生命過程當然也不例外。人體生命系統是一個開放系統，它不斷地與外界進行物質交換***從外界攝取食物、水和氧氣，並排出廢物***和能量交換***如對外作功，對外散熱***。人類生存在季節交替、氣候變幻的自然界中，經過長期進化人類把自身的體溫約束在37℃左右。為了維持生命活動，人體需要保持正常的體溫，需要保證各個器官正常的活動和組織的代謝。人體從外界吸納的食物、水和氧，在體內經過複雜的生物化學過程，轉變成營養物質和內能。一部分用作人體生命活動所必須的能量和保持體溫，一部分用於對外作功和散熱。
恩格斯指出，熱是人類最早發現的一種自然力，是地球上一切生命的源泉。太陽不斷地向地球噴發光和熱，這樣地球上的植物才能進行光合作用，合成出各種有機物。據估算，地球上的綠色植物每天可以產生大約4億噸的蛋白質、碳水化合物和脂肪，同時還向空氣中釋放近5億噸的氧氣，這是了人類和動物生存的物質來源。這就是“萬物生長靠太陽”的科學根據。
能量代謝***也稱新陳代謝***，是指人體在生存過程中，不斷地攝取營養物質，以建造自身的特殊結構，同時又不斷地破壞自身已衰老的結構。人體內的物質代謝過程，根據其性質可分為異化和同化兩個方面。異化是指在機體內，蛋白質、脂肪、糖等物質經過極其複雜的氧化分解，生成水和二氧化碳的過程***也稱分解代謝***;同化是指在機體內，簡單的物質分子在體內合成為蛋白質、脂肪、糖等複雜物質的過程***也稱合成代謝***。由氨基酸合成蛋白質就是同化過程。同化過程是儲存能量的過程，異化過程是釋放能量的過程。異化過程中釋放的能量通過機體的利用轉化為功和熱。
在人體內，物質代謝和能量轉化是不可分割的。人體經過消化系統吸收的營養物質和儲存的能量，通過氧化過程釋放出來。通常把人體內的物質代謝過程中能量的釋放和儲存、轉化和利用，以及以熱量形式向外發散的過程，稱為能量代謝。所謂基礎代謝，是指人體處於清醒、平靜，並儘可能排除肌肉活動、精神緊張及環境溫度等因素影響的狀態下，能量的消耗只用於維持心跳、呼吸、和維持正常體溫等其他一些基本的生理活動的需要。在這種狀態下人體的代謝率較低且穩定，這稱為基礎代謝。
人體無論是在靜息狀態下，還是在活動中，都會連續不斷地將營養物質的化學能轉變為人體組織所必須的各種能量，這就是分解代謝。分解代謝的能量一部分用於向體外放熱，一部分用於對外作功。人體在完全休息時，內能的消耗率約為80瓦，人在作劇烈活動時能量的消耗率可達600瓦到1600瓦。這些消耗必須靠吃進食物來補償，以保證人體的能量平衡。根據能量守恆定律，人體攝入的能量與消耗的能量應當經常保持相對的平衡。如果攝入的多而消耗的少，人的體重就會增大，時間久了就會引起肥胖。如果攝入的少而消耗的多，時間久了就會導致消瘦、體重減輕，甚至會因營養不良而有害健康。
環境溫度過低或過高也會使代謝率增加。這是因為當環境溫度過低時，人體輻射的熱量多，代謝率增大以加快體內生熱;當環境溫度偏高時，輻射的熱量較少，為保持正常的體溫，人體要以出汗蒸發、加快呼吸等方式來散熱，這也會使代謝率增加。
人體生命系統是一個開放系統，它不斷地與外界進行物質交換***從外界攝取食物、水和氧氣，並排出廢物***和能量交換***如對外作功和散熱等***。為了維持生命，人體需要保證各個器官的正常活動與組織代謝，需要保持正常體溫。因此，人體必須從食物中獲得能量。人體從外界吸納的食物、水和氧，在體內經過複雜的生化過程，轉化為營養物質和內能，一部分用於人體生命活動的需要，一部分用於保持體溫、對外作功和散熱。根據能量守恆定律，人體攝入的能量與消耗的能量應當經常保持相對的平衡。如果攝入的少而消耗的多，時間久了就會導致消瘦、體重減輕，甚至因營養不良而有害健康。如果攝入的多而消耗的少，人的體重就會增加，時間久了就會引起肥胖。
四、體溫和體溫調節
體溫即機體的溫度，通常指身體深部的溫度。對人來說，維持正常體溫是一件很重要的事情。人類在長期進化過程中形成了比較高階的體溫調節功能。體溫調節的方式有行為性體溫調節和自主性體溫調節兩類：一是行為性體溫調節：例如，人在嚴寒中踏步、跑動以禦寒，即屬此種調節。人們能根據環境溫度不同而增減衣著，創設人工氣候環境以祛暑禦寒，則可視作更為高階而複雜的行為調節;一是自主性體溫調節。例如，寒顫、發汗、血管舒縮等，以保持體溫相對恆定的調節過程。
機體在進行新陳代謝的過程中，會不斷地產生熱量，同時又不斷地把熱量發散出去。
產熱過程，是機體在代謝過程中釋放能量。其中約有20%～25%用於作功，其餘都以熱能形式散發出去。產熱最多的器官是內臟***尤其是肝臟***和骨骼肌。因熱能來自物質代謝的化學反應，所以產熱過程又稱化學性體溫調節。
散熱過程，體表面板可通過輻射、傳導、對流和蒸發等物理方式散熱，所以散熱過程又稱物理性體溫調節。輻射、傳導、對流這三種方式發散的熱量約佔總散熱量的75%，其中以輻射散熱最多，佔總散熱量的60%，散熱的速度主要取決於面板與環境之間的溫度差。
蒸發也是很有效的散熱方式。當環境溫度與面板溫度接近或相等時，人體主要以蒸發方式來散熱。蒸發時，每克水可吸收2.42千焦的汽化熱。常溫下體內的水分經機體表層透出而蒸發，稱為無感蒸發***其量每天約為1000毫升***。一般在環境氣溫升到25～30℃時，汗腺即開始分泌汗液***出汗***，稱為可感蒸發。環境氣溫等於或高於體溫時，汗和水分的蒸發即成為主要的散熱方式。
體溫的穩定取決於機體產熱過程和散熱過程的動態平衡。如產熱量大於散熱量時，體溫將升高;反之，則降低。由於機體的活動和環境溫度的經常變動，產熱過程和散熱過程間的平衡也就不斷地被打破，經過自主性的反饋調節又可達到新的平衡。這種動態平衡使人體體溫波動於較狹小的正常範圍內，保持著體溫相對的穩定。
臨床上一般採用從腋窩、口腔或從直腸內測量體溫。正常人體的直腸溫度平均約為37.3℃，接近於體內深部的溫度;口腔溫平均約為37.0℃;腋窩溫平均約為36.7℃。正常生理情況下，體溫可隨晝夜、年齡、性別、活動情況不同而有一定的波動。一晝夜中，清晨2～4時體溫最低，午後4～6時最高，變動幅度不超過1℃。這種近日節律並不因生活習慣的變動而改變，它很可能與地球的自轉週期有關。嬰兒的體溫調節機能尚未完善，可受環境溫度、活動情況或疾病的影響而發生較大的波動。新生兒的體溫略高於成年人，老年人則稍低於成年人。在酷熱或嚴寒環境中暴露數小時，體溫可上升或下降1℃～2℃。
體溫調節中樞主要在下丘腦。切除下丘腦以上的前腦的動物即“下丘腦動物”，仍能保持接近正常的體溫調節功能。而切除中腦以上的全部前腦***包括下丘腦***的動物則不能保持體溫的相對穩定。傳統生理學認為，在下丘腦前部存在著散熱中樞，而下丘腦後部則存在著產熱中樞。兩個中樞之間有著互動抑制的關係，從而保持了體溫的相對穩定。在下丘腦前部還存在著發汗中樞。下丘腦後部內側區存在著寒顫中樞，它對血液溫度變化並不敏感，但對來自面板冷覺感受器的傳入資訊比較敏感。體溫的行為調節也受下丘腦的控制，而體溫調節中樞對體內外溫度變化的反應，則取決於大腦對來自外周和中樞的多種溫度覺資訊整合的結果。體溫的自主性調節主要通過反射來實現，環境溫度或機體活動的改變將引起體表溫度或深部血溫的變動，從而刺激了外周或中樞的溫度感受器。溫度感受器的傳入衝動經過下丘腦整合後，中樞便發出衝動***或引起垂體釋放激素***，使內分泌腺、內臟、骨骼肌、面板血管和汗腺等效應器的活動發生改變，調整了機體的產熱過程和散熱過程，從而可以保持體溫的相對穩定。
人體對環境溫度改變所產生的自主性體溫調節是很有限的，更多的是行為性調節。環境溫度過低或過高都將導致代謝率增加。這是因為當環境溫度過低時，人體輻射的熱量多，代謝率增大以加快體內生熱;當環境溫度較高時，輻射的熱量較少，為保持正常的體溫，人體就要以出汗蒸發、加快呼吸等方式來散熱，這也會使代謝率增加。對人體來說，維持正常體溫是一件很重要的事情。身材尺寸大，有利於保溫，這是因為相對體表面積比較小。有人估計，3000老鼠的體重相當於一個成人的體重，而3000只老鼠吃掉的食物大約是一個人的10倍，其中的主要部分就是用於保持體溫。
篇二
淺談自然界能量·轉化·守恆·成礦
摘 要：自然界的形成、發展及其演化源於物質本身具有的能量，源於物質能量的轉化和物質能量的守恆。具體而言與天地生的發展演化密切相關，主要是地質作用***包括內力地質作用和外力地質作用***產生的能量***熱能、風能、水能***轉化、守恆變化的結果。該文從多方面論述了能量、轉化、守恆與成礦之間的關係，對地質找礦及其思維有一定的指示意義。
關鍵詞：成礦 轉化 守恆 能量 自然界
中圖分類號：TD1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X***2013***01***a***-0-02
自然界的形成、發展及其演化源於自然界物質本身具有的能量***所謂能量是物質本身所具有的導致其他物質產生成分、結構、構造變化，時空位移的固有之力，既使物質形成、發展、演化不斷分異，同時也使物質最終存在狀態趨於動態平衡，如熱能、水能、光能、風能、生物能等***，源於物質能量的轉化和守恆。自然界的能量無處不在、無時不在，事物***物質***的形成、發展及其演化，無不與之相關。能量存在於自然界中，人類也是自然界的組成部分。自然界的形成、發展、演化過程，主要是能量的轉化和守恆的過程，具體而言與天地生的形成發展演化密切相關，特別是地球的形成、發展、演化，主要是能量的轉化和守恆導致了地質作用的結果。包括內力地質作用和外力地質作用，其中內力地質作用與熱能***岩漿活動***息息相關，外力地質作用與水能、風能、光能等密不可分。
世界或說宇宙由物質組成，物質則呈固態、液態和氣態存在。物質的這種屬性就為物質能量的轉化、守恆提供了先決條件。它們之間的相互關係即液態存在於固體之中，液態昇華變成氣體，氣體冷卻變成液體，氣體漂浮於固體、液體之上，同時也可以包含或包裹於二者。物質的變化受控於能量，能量的變化又受物質濃度差、溫度差、壓力差等因素影響。物質具備了上述變化，才會導致能量的轉化和守恆，進而導致物質的分異、遷移、匯聚，向新的目標和方向發展、演化，形成新的物質，趨於新的平衡。這種過程屬自組織過程，與重力分異原理、均衡原理等有關，是自然界本能的自我表現。這種演化規律和過程比比皆是。尤其在地質作用的成岩作用和成礦作用方面表現明顯。
1 能量 轉化 守恆 成礦
***1***能量變化的表現形式及其轉化和守恆表現在諸多方面，如大氣降水形成的地表徑流，進而匯聚形成了河流，眾多河流流向大海，海水蒸發形成雲團，冷、熱雲團相遇形成了雨水，除部分降水蒸發、滲入地下外，但部分降水又流入河流和大海，再有大氣氣流流動、迴圈，岩石風化、剝蝕、搬運、沉積、固結成巖[1]，乃至地貌準平原化等，都是能量變化的表現形式及其轉化和守恆的真實寫照。
***2***地球內部能量的變化致使地下深部岩漿***幔源物質***流向地殼拉伸減薄地帶[2]，進而產生岩漿噴發或侵入，並使地幔、地殼物質達到新的平衡，使成礦物質聚集、分異，形成了許多具有經濟開採價值的岩漿礦床、火山礦床等。
***3***能量的變化致使含礦熱液分異、遷移、匯聚流向構造活動地帶***如板塊消亡帶、仰衝帶、板內古裂谷[3]、深大斷裂、一般斷裂、接觸帶、褶皺、火山機構等***，導致了成礦物質的聚集，為成礦提供了必要條件。繼而形成了熱液礦床***火山熱液、岩漿熱液礦床，如斑岩型銅礦、銅鉬礦床等***。
***4***含礦熱液或含礦流體伴隨能量降低或交代置換、導致了成礦物質飽和結晶或交代形成，因此形成了岩漿礦床和接觸交代礦床***如岩漿結晶礦床、接觸交代礦床***。
***5***一般構造形成地帶通常為能量集中地帶，因能量的不均衡性，所以形成了點***如火山機構、破火山口、爆破角礫岩筒***、線***如一般斷裂、深大斷裂***、面***如火山噴發帶、構造岩漿岩帶、高壓麻粒巖帶、區域成礦帶***、體***如構造隆起帶、擠壓造山帶、構造沉降帶等***不同規模的構造。這些構造通常為成礦熱液活動和成礦提供了有利場所和空間。
***6***能量大小與變化和成巖、成礦的規模有一定的內在聯絡。一般情況下成礦與小巖體[4]密切相關。如斑岩型銅鉬礦。小巖體的形成通常能量較小***溫度、壓力較低***，所以成礦物質易於飽和結晶沉澱，易於形成礦化和礦床***包括大、中、小型礦床***。而大巖體的形成需要的能量一般較大，因高溫、高壓不宜成礦物質分異、聚集，因此往往不能形成礦化或礦床。
能量的變化伴隨垂向深度的變化和水平空間的變化，直接影響著巖體在垂向、水平方向的形成與演化。能量由地下深部到地表，由大到小，使岩漿由溫壓較高向溫壓較低方向演化，由於岩漿物質的膨脹作用，所形成的巖體上大下小，即氣球狀，其結果反映了能量在巖體形成過程中的動態平衡過程。在水平方向，所形成的雜巖體往往邊部巖體粒度較細，中部較粗，中心更粗，這種現象反映了巖體形成過程中能量的變化特點，由散熱快，結晶粒度較小，向散熱慢演化，由最初的開放體系，逐漸向趨於封閉體系演進，進而形成了粒度較粗，至巖體中心更粗的巖體。上述變化過程客觀地反映了能量在成巖成礦中的轉化守恆過程。
***7***能量的變化由物質本身的動態平衡決定。主要取決於內力地質作用和外力地質作用。內力地質作用起主導作用。包括岩漿侵入作用、火山噴發作用、地震作用、構造作用等。岩漿侵入作用是地球內部能量***熱能***不均衡作用的體現，能量積聚膨脹，導致岩漿活動，由高能向低能方向運移，由地下深處向地表運移，進而形成火山噴發作用。能量積聚膨脹，還可以導致地震作用、構造作用，通過地震方式，將能量加以釋放，使能量趨於守恆。構造作用在水平方向上大到導致了規模巨大的不同板塊的俯衝、碰撞作用[5]等。在垂直方向上導致了地幔柱的形成[6]、發展和演化等。
外力地質作用包括風化作用、剝蝕作用、搬運作用、沉積作用、生物作用等。其介質包括太陽能、風能、水能、生物能等。其作用的大小、規模主要取決於這些能量的大小及其變化。
***8***能量的變化是能量轉化、守恆和成礦的關鍵所在。不同地質時代的能量***即岩漿作用、火山作用、變質作用產生的熱能，沉積作用的水能、風能等***大小不一，且能量時空變化存在著顯著的差異，成礦作用也不盡相同。如太古宙時期，主要是以變質作用為主，成礦作用主要表現為內力變質及其成礦作用，形成了金、銅、鐵等礦床;中元古代―古生代，主要是以沉積作用為主，成礦作用主要表現為外力沉積作用，形成了許多非金屬大型礦床等;中生代，主要是岩漿侵入作用和火山噴發作用為主，成礦作用主要表現為形成了眾多的岩漿型、火山熱液型金屬礦床***包括銅、鉛、鋅、鉬、金、銀等***，同時也形成了許多岩漿型、火山熱液型非金屬礦床。該時期是地質歷史時期以來成礦作用聚集、成礦作用最為顯著的大“爆炸”時期，是能量聚集、釋放、突變、頻繁變化的具體體現和規模巨集偉的歷史畫卷，生動形象地凸顯了自然界能量轉化、守恆乃至與成礦的關係及其變化規律。新生代，主要與沉積作用為主，區域性僅有少量的火山作用，成礦作用主要表現為形成了許多砂礦床以及其他沉積礦
產等。
2 結語
綜上所述，自然界的形成、發展及其演化源於物質本身具有的能量，源於物質能量的轉化和守恆。主要是自然界物質本身的能量導致了地質作用，而地質作用又致使地質體物質能量轉化和守恆，具體表現為地球內部作用形成的能量***熱能***與外部作用形成的能量***水能、風能等***的轉化和守恆過程。由於能量的轉化、守恆，因此導致了地球物質***殼幔***的分異作用、均衡作用，形成了地下深部岩漿以及上升地表的火山熔漿、含礦流體和液體等，進而形成了波浪起伏的高山和具有經濟開採價值和潛在價值的礦藏，伴隨著分異作用、均衡作用的進一步演化，形成了涇渭分明的陸地、海洋、平原、河流等自然景觀以及許多固、氣、液礦床等礦產資源，乃至當今世界的地勢地貌
特徵。
參考文獻
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