能量转化的科学论文
自然界的形成、发展及其演化源于物质本身具有的能量，源于物质能量转化和物质能量的守恒。下面是小编整理的能量转化的科学论文，希望你能从中得到感悟!
能量转化的科学论文篇一
浅谈人体中的能量转化
摘要：本文结合能量概念和能量守恒定律，讨论了人体生命现象中的能量转化等问题。主要内容包括能量形式的多样性、能量守恒定律的重要意义、人体中的能量转化、体温和体温调节等。
关键词：能量守恒定律 能量代谢 体温调节 医用物理 教学研究
一、能量形式的多样性
自然界的任何过程，包括人类的生产活动和人体的生命活动都离不开能量。弄清楚能量概念，掌握能量守恒定律，对指导人们的生活、工作和学习，都具有重要而普遍的意义。在国际单位制中，能量的单位是焦(J);在研究微观粒子时，也常用电子伏(eV)为能量的单位，。能量通常以机械能、内能、电能、原子能和化学能等多种形式出现在不同的运动中，并通过作功或传热等方式进行转化或转移。人体生命活动中的能量主要来源于摄入食物的氧化分解。
机械能包括动能和势能(重力势能、弹性势能)。动能的变化通过机械功，按动能定理与势能、内能、电能等其他形式能量进行相互转化。
内能是由系统内部状态所决定的能。一般地说，系统是由大量分子、原子组成的，系统的内能是全部微观粒子的各种能量总和(包括系统中所有粒子的动能、势能、化学能、电离能、核能等)。由于在系统所经历的热力学过程中，物质原子和原子核的结构一般都不发生变化，即这一部分能量保持不变，可作为常量从中扣除。从微观角度来看，系统的内能一般包括因分子热运动所具有的分子的动能和因分子间相互作用而决定的分子的势能。通常，就把系统中所有分子的动能和分子的势能总和，称作系统的内能。从宏观角度来看，人们更加关注在系统的能量转化和转移的热力学过程中，系统的内能究竟发生了多大的变化。作功和传热是改变物体内能的两种方式。在能量转化和转移过程中，内能的变化、功和热量三者之间必须符合能量守恒定律。
电势能是指电荷因受静电力作用和在静电场中的位置不同而具有的能量。电势能的变化与电场力的功相联系。在电路中，电流作功时，电能与其他形式的能相互转化。通常情况下，电流或带电体所携带的电能，可以用导线来传输，且易于转化为其他形式的能。实际应用中，电能要由电源来提供。电源是将其他形式的能转变为电能的装置。电源提供的电能必须通过非静电力对电荷作功的方式从其他形式的能转化而来。例如，发电机把机械能转化为电能;干电池是把化学能转化为电能;太阳能电池则是把太阳能直接转化为电能。
化学能是物质在发生化学反应过程中所释放出的能量(如汽油、煤炭、木头，通过燃烧过程释放的能量)，营养物质在人体内发生的生物化学过程也会释放出化学能。在化学反应过程中，原物质的分子发生变化，重新组合生成新的化学物质，将引起化学能的变化，并伴随着放热或吸热现象的发生。
原子能(也称原子核能或核结合能)是原子核内部发生运动变化时释放出的能量。如重核裂变和轻核聚变时会释放出巨大的能量，这是人类寻找新能源的主要途径。放射性核素在衰变过程中所放出的射线(主要指其中的γ射线)，在医学诊断和治疗技术中具有广泛的应用，这也是原子能应用的一个重要方面。
1905年，爱因斯坦在狭义相对论中提出了著名的质能公式E=mc2。爱因斯坦的质能公式对指导人类最终解决新能源问题具有重要意义。质能公式(也称质能关系)在能量和质量之间建立了当量关系，能量概念因此增添了新的涵义。质能公式将原来似乎互不相干的质量守恒和能量守恒实现了统一。
尽管在2011年3月11日发生了日本大地震和海啸，并因此导致核泄漏，引起了人们的恐慌，但这决不会阻挡人类探索原子能和平利用的步伐。
二、能量守恒定律的重要意义
无论以什么方式，能量既不会创生，也不会消灭，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律。
恩格斯认为，“人们只是在学会了摩擦取火以后，才第一次迫使某种无生命的自然力替自己服务”。热现象是人类最早观察和认识的自然现象之一，也是人们用以征服大自然和改造世界最早、最强有力的手段。
从18世纪末到20世纪40年代，有6个国家的10多位科学家从不同角度独立地提出了能量守恒的观点。例如，德国物理学家、医生迈尔、英国物理学家焦耳等人对此都作出了重要贡献。毫无疑问，能量概念和能量守恒定律是自然界中最重要的概念和规律。能量守恒定律的发现，是科学发展史上的一个重要的里程碑。恩格斯把它和细胞的发现及达尔文的进化论一起，称为是19世纪自然科学的具有决定意义的三大发现。自然界中的一切现象通过能量守恒定律相互联系起来。能量守恒定律的确立，标志着人们已经从各种局部规律的探索，上升到能够把握形式多样的能量转化和传递过程的共同特征。物质的不同运动形式及其相互转化是物质世界固有的特征，永远不会停息。能量守恒不仅具有数量上的意义，并且指明了物质运动的不灭性和永恒性。
在历史上，曾有人幻想制造出这样一种机器，它只对外作功而不消耗任何能量，人们称这种机器为“第一类永动机”。所有这样的幻想最终都必定要破灭，原因就是它违背了能量守恒定律。科学已经定论，“第一类永动机不存在”。这是科学对“永动机”的最终的宣判。但是，目前世界上仍然还有人在继续着永动机的幻想和实践，这样的人主要有两类：一类是痴迷者，不懂科学非要造永动机，当然永远造不成;另一类则是纯粹的骗子，都是为了骗钱而耍弄花招。
三、人体中的能量转化
自然界的一切过程都必须遵从能量守恒定律，人体的生命过程当然也不例外。人体生命系统是一个开放系统，它不断地与外界进行物质交换(从外界摄取食物、水和氧气，并排出废物)和能量交换(如对外作功，对外散热)。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，经过长期进化人类把自身的体温约束在37℃左右。为了维持生命活动，人体需要保持正常的体温，需要保证各个器官正常的活动和组织的代谢。人体从外界吸纳的食物、水和氧，在体内经过复杂的生物化学过程，转变成营养物质和内能。一部分用作人体生命活动所必须的能量和保持体温，一部分用于对外作功和散热。
恩格斯指出，热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。太阳不断地向地球喷发光和热，这样地球上的植物才能进行光合作用，合成出各种有机物。据估算，地球上的绿色植物每天可以产生大约4亿吨的蛋白质、碳水化合物和脂肪，同时还向空气中释放近5亿吨的氧气，这是了人类和动物生存的物质来源。这就是“万物生长靠太阳”的科学根据。
能量代谢(也称新陈代谢)，是指人体在生存过程中，不断地摄取营养物质，以建造自身的特殊结构，同时又不断地破坏自身已衰老的结构。人体内的物质代谢过程，根据其性质可分为异化和同化两个方面。异化是指在机体内，蛋白质、脂肪、糖等物质经过极其复杂的氧化分解，生成水和二氧化碳的过程(也称分解代谢);同化是指在机体内，简单的物质分子在体内合成为蛋白质、脂肪、糖等复杂物质的过程(也称合成代谢)。由氨基酸合成蛋白质就是同化过程。同化过程是储存能量的过程，异化过程是释放能量的过程。异化过程中释放的能量通过机体的利用转化为功和热。
在人体内，物质代谢和能量转化是不可分割的。人体经过消化系统吸收的营养物质和储存的能量，通过氧化过程释放出来。通常把人体内的物质代谢过程中能量的释放和储存、转化和利用，以及以热量形式向外发散的过程，称为能量代谢。所谓基础代谢，是指人体处于清醒、平静，并尽可能排除肌肉活动、精神紧张及环境温度等因素影响的状态下，能量的消耗只用于维持心跳、呼吸、和维持正常体温等其他一些基本的生理活动的需要。在这种状态下人体的代谢率较低且稳定，这称为基础代谢。
人体无论是在静息状态下，还是在活动中，都会连续不断地将营养物质的化学能转变为人体组织所必须的各种能量，这就是分解代谢。分解代谢的能量一部分用于向体外放热，一部分用于对外作功。人体在完全休息时，内能的消耗率约为80瓦，人在作剧烈活动时能量的消耗率可达600瓦到1600瓦。这些消耗必须靠吃进食物来补偿，以保证人体的能量平衡。根据能量守恒定律，人体摄入的能量与消耗的能量应当经常保持相对的平衡。如果摄入的多而消耗的少，人的体重就会增大，时间久了就会引起肥胖。如果摄入的少而消耗的多，时间久了就会导致消瘦、体重减轻，甚至会因营养不良而有害健康。
环境温度过低或过高也会使代谢率增加。这是因为当环境温度过低时，人体辐射的热量多，代谢率增大以加快体内生热;当环境温度偏高时，辐射的热量较少，为保持正常的体温，人体要以出汗蒸发、加快呼吸等方式来散热，这也会使代谢率增加。
人体生命系统是一个开放系统，它不断地与外界进行物质交换(从外界摄取食物、水和氧气，并排出废物)和能量交换(如对外作功和散热等)。为了维持生命，人体需要保证各个器官的正常活动与组织代谢，需要保持正常体温。因此，人体必须从食物中获得能量。人体从外界吸纳的食物、水和氧，在体内经过复杂的生化过程，转化为营养物质和内能，一部分用于人体生命活动的需要，一部分用于保持体温、对外作功和散热。根据能量守恒定律，人体摄入的能量与消耗的能量应当经常保持相对的平衡。如果摄入的少而消耗的多，时间久了就会导致消瘦、体重减轻，甚至因营养不良而有害健康。如果摄入的多而消耗的少，人的体重就会增加，时间久了就会引起肥胖。
四、体温和体温调节
体温即机体的温度，通常指身体深部的温度。对人来说，维持正常体温是一件很重要的事情。人类在长期进化过程中形成了比较高级的体温调节功能。体温调节的方式有行为性体温调节和自主性体温调节两类：一是行为性体温调节：例如，人在严寒中踏步、跑动以御寒，即属此种调节。人们能根据环境温度不同而增减衣着，创设人工气候环境以祛暑御寒，则可视作更为高级而复杂的行为调节;一是自主性体温调节。例如，寒颤、发汗、血管舒缩等，以保持体温相对恒定的调节过程。
机体在进行新陈代谢的过程中，会不断地产生热量，同时又不断地把热量发散出去。
产热过程，是机体在代谢过程中释放能量。其中约有20%～25%用于作功，其余都以热能形式散发出去。产热最多的器官是内脏(尤其是肝脏)和骨骼肌。因热能来自物质代谢的化学反应，所以产热过程又称化学性体温调节。
散热过程，体表皮肤可通过辐射、传导、对流和蒸发等物理方式散热，所以散热过程又称物理性体温调节。辐射、传导、对流这三种方式发散的热量约占总散热量的75%，其中以辐射散热最多，占总散热量的60%，散热的速度主要取决于皮肤与环境之间的温度差。
蒸发也是很有效的散热方式。当环境温度与皮肤温度接近或相等时，人体主要以蒸发方式来散热。蒸发时，每克水可吸收2.42千焦的汽化热。常温下体内的水分经机体表层透出而蒸发，称为无感蒸发(其量每天约为1000毫升)。一般在环境气温升到25～30℃时，汗腺即开始分泌汗液(出汗)，称为可感蒸发。环境气温等于或高于体温时，汗和水分的蒸发即成为主要的散热方式。
体温的稳定取决于机体产热过程和散热过程的动态平衡。如产热量大于散热量时，体温将升高;反之，则降低。由于机体的活动和环境温度的经常变动，产热过程和散热过程间的平衡也就不断地被打破，经过自主性的反馈调节又可达到新的平衡。这种动态平衡使人体体温波动于较狭小的正常范围内，保持着体温相对的稳定。
临床上一般采用从腋窝、口腔或从直肠内测量体温。正常人体的直肠温度平均约为37.3℃，接近于体内深部的温度;口腔温平均约为37.0℃;腋窝温平均约为36.7℃。正常生理情况下，体温可随昼夜、年龄、性别、活动情况不同而有一定的波动。一昼夜中，清晨2～4时体温最低，午后4～6时最高，变动幅度不超过1℃。这种近日节律并不因生活习惯的变动而改变，它很可能与地球的自转周期有关。婴儿的体温调节机能尚未完善，可受环境温度、活动情况或疾病的影响而发生较大的波动。新生儿的体温略高于成年人，老年人则稍低于成年人。在酷热或严寒环境中暴露数小时，体温可上升或下降1℃～2℃。
体温调节中枢主要在下丘脑。切除下丘脑以上的前脑的动物即“下丘脑动物”，仍能保持接近正常的体温调节功能。而切除中脑以上的全部前脑(包括下丘脑)的动物则不能保持体温的相对稳定。传统生理学认为，在下丘脑前部存在着散热中枢，而下丘脑后部则存在着产热中枢。两个中枢之间有着交互抑制的关系，从而保持了体温的相对稳定。在下丘脑前部还存在着发汗中枢。下丘脑后部内侧区存在着寒颤中枢，它对血液温度变化并不敏感，但对来自皮肤冷觉感受器的传入信息比较敏感。体温的行为调节也受下丘脑的控制，而体温调节中枢对体内外温度变化的反应，则取决于大脑对来自外周和中枢的多种温度觉信息整合的结果。体温的自主性调节主要通过反射来实现，环境温度或机体活动的改变将引起体表温度或深部血温的变动，从而刺激了外周或中枢的温度感受器。温度感受器的传入冲动经过下丘脑整合后，中枢便发出冲动(或引起垂体释放激素)，使内分泌腺、内脏、骨骼肌、皮肤血管和汗腺等效应器的活动发生改变，调整了机体的产热过程和散热过程，从而可以保持体温的相对稳定。
人体对环境温度改变所产生的自主性体温调节是很有限的，更多的是行为性调节。环境温度过低或过高都将导致代谢率增加。这是因为当环境温度过低时，人体辐射的热量多，代谢率增大以加快体内生热;当环境温度较高时，辐射的热量较少，为保持正常的体温，人体就要以出汗蒸发、加快呼吸等方式来散热，这也会使代谢率增加。对人体来说，维持正常体温是一件很重要的事情。身材尺寸大，有利于保温，这是因为相对体表面积比较小。有人估计，3000老鼠的体重相当于一个成人的体重，而3000只老鼠吃掉的食物大约是一个人的10倍，其中的主要部分就是用于保持体温。
能量转化的科学论文篇二
浅谈自然界能量·转化·守恒·成矿
摘 要：自然界的形成、发展及其演化源于物质本身具有的能量，源于物质能量的转化和物质能量的守恒。具体而言与天地生的发展演化密切相关，主要是地质作用(包括内力地质作用和外力地质作用)产生的能量(热能、风能、水能)转化、守恒变化的结果。该文从多方面论述了能量、转化、守恒与成矿之间的关系，对地质找矿及其思维有一定的指示意义。
关键词：成矿 转化 守恒 能量 自然界
中图分类号：TD1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)01(a)-0-02
自然界的形成、发展及其演化源于自然界物质本身具有的能量(所谓能量是物质本身所具有的导致其他物质产生成分、结构、构造变化，时空位移的固有之力，既使物质形成、发展、演化不断分异，同时也使物质最终存在状态趋于动态平衡，如热能、水能、光能、风能、生物能等)，源于物质能量的转化和守恒。自然界的能量无处不在、无时不在，事物(物质)的形成、发展及其演化，无不与之相关。能量存在于自然界中，人类也是自然界的组成部分。自然界的形成、发展、演化过程，主要是能量的转化和守恒的过程，具体而言与天地生的形成发展演化密切相关，特别是地球的形成、发展、演化，主要是能量的转化和守恒导致了地质作用的结果。包括内力地质作用和外力地质作用，其中内力地质作用与热能(岩浆活动)息息相关，外力地质作用与水能、风能、光能等密不可分。
世界或说宇宙由物质组成，物质则呈固态、液态和气态存在。物质的这种属性就为物质能量的转化、守恒提供了先决条件。它们之间的相互关系即液态存在于固体之中，液态升华变成气体，气体冷却变成液体，气体漂浮于固体、液体之上，同时也可以包含或包裹于二者。物质的变化受控于能量，能量的变化又受物质浓度差、温度差、压力差等因素影响。物质具备了上述变化，才会导致能量的转化和守恒，进而导致物质的分异、迁移、汇聚，向新的目标和方向发展、演化，形成新的物质，趋于新的平衡。这种过程属自组织过程，与重力分异原理、均衡原理等有关，是自然界本能的自我表现。这种演化规律和过程比比皆是。尤其在地质作用的成岩作用和成矿作用方面表现明显。
1 能量 转化 守恒 成矿
(1)能量变化的表现形式及其转化和守恒表现在诸多方面，如大气降水形成的地表径流，进而汇聚形成了河流，众多河流流向大海，海水蒸发形成云团，冷、热云团相遇形成了雨水，除部分降水蒸发、渗入地下外，但部分降水又流入河流和大海，再有大气气流流动、循环，岩石风化、剥蚀、搬运、沉积、固结成岩[1]，乃至地貌准平原化等，都是能量变化的表现形式及其转化和守恒的真实写照。
(2)地球内部能量的变化致使地下深部岩浆(幔源物质)流向地壳拉伸减薄地带[2]，进而产生岩浆喷发或侵入，并使地幔、地壳物质达到新的平衡，使成矿物质聚集、分异，形成了许多具有经济开采价值的岩浆矿床、火山矿床等。
(3)能量的变化致使含矿热液分异、迁移、汇聚流向构造活动地带(如板块消亡带、仰冲带、板内古裂谷[3]、深大断裂、一般断裂、接触带、褶皱、火山机构等)，导致了成矿物质的聚集，为成矿提供了必要条件。继而形成了热液矿床(火山热液、岩浆热液矿床，如斑岩型铜矿、铜钼矿床等)。
(4)含矿热液或含矿流体伴随能量降低或交代置换、导致了成矿物质饱和结晶或交代形成，因此形成了岩浆矿床和接触交代矿床(如岩浆结晶矿床、接触交代矿床)。
(5)一般构造形成地带通常为能量集中地带，因能量的不均衡性，所以形成了点(如火山机构、破火山口、爆破角砾岩筒)、线(如一般断裂、深大断裂)、面(如火山喷发带、构造岩浆岩带、高压麻粒岩带、区域成矿带)、体(如构造隆起带、挤压造山带、构造沉降带等)不同规模的构造。这些构造通常为成矿热液活动和成矿提供了有利场所和空间。
(6)能量大小与变化和成岩、成矿的规模有一定的内在联系。一般情况下成矿与小岩体[4]密切相关。如斑岩型铜钼矿。小岩体的形成通常能量较小(温度、压力较低)，所以成矿物质易于饱和结晶沉淀，易于形成矿化和矿床(包括大、中、小型矿床)。而大岩体的形成需要的能量一般较大，因高温、高压不宜成矿物质分异、聚集，因此往往不能形成矿化或矿床。
能量的变化伴随垂向深度的变化和水平空间的变化，直接影响着岩体在垂向、水平方向的形成与演化。能量由地下深部到地表，由大到小，使岩浆由温压较高向温压较低方向演化，由于岩浆物质的膨胀作用，所形成的岩体上大下小，即气球状，其结果反映了能量在岩体形成过程中的动态平衡过程。在水平方向，所形成的杂岩体往往边部岩体粒度较细，中部较粗，中心更粗，这种现象反映了岩体形成过程中能量的变化特点，由散热快，结晶粒度较小，向散热慢演化，由最初的开放体系，逐渐向趋于封闭体系演进，进而形成了粒度较粗，至岩体中心更粗的岩体。上述变化过程客观地反映了能量在成岩成矿中的转化守恒过程。
(7)能量的变化由物质本身的动态平衡决定。主要取决于内力地质作用和外力地质作用。内力地质作用起主导作用。包括岩浆侵入作用、火山喷发作用、地震作用、构造作用等。岩浆侵入作用是地球内部能量(热能)不均衡作用的体现，能量积聚膨胀，导致岩浆活动，由高能向低能方向运移，由地下深处向地表运移，进而形成火山喷发作用。能量积聚膨胀，还可以导致地震作用、构造作用，通过地震方式，将能量加以释放，使能量趋于守恒。构造作用在水平方向上大到导致了规模巨大的不同板块的俯冲、碰撞作用[5]等。在垂直方向上导致了地幔柱的形成[6]、发展和演化等。
外力地质作用包括风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、生物作用等。其介质包括太阳能、风能、水能、生物能等。其作用的大小、规模主要取决于这些能量的大小及其变化。
(8)能量的变化是能量转化、守恒和成矿的关键所在。不同地质时代的能量(即岩浆作用、火山作用、变质作用产生的热能，沉积作用的水能、风能等)大小不一，且能量时空变化存在着显著的差异，成矿作用也不尽相同。如太古宙时期，主要是以变质作用为主，成矿作用主要表现为内力变质及其成矿作用，形成了金、铜、铁等矿床;中元古代―古生代，主要是以沉积作用为主，成矿作用主要表现为外力沉积作用，形成了许多非金属大型矿床等;中生代，主要是岩浆侵入作用和火山喷发作用为主，成矿作用主要表现为形成了众多的岩浆型、火山热液型金属矿床(包括铜、铅、锌、钼、金、银等)，同时也形成了许多岩浆型、火山热液型非金属矿床。该时期是地质历史时期以来成矿作用聚集、成矿作用最为显著的大“爆炸”时期，是能量聚集、释放、突变、频繁变化的具体体现和规模宏伟的历史画卷，生动形象地凸显了自然界能量转化、守恒乃至与成矿的关系及其变化规律。新生代，主要与沉积作用为主，局部仅有少量的火山作用，成矿作用主要表现为形成了许多砂矿床以及其他沉积矿
产等。
2 结语
综上所述，自然界的形成、发展及其演化源于物质本身具有的能量，源于物质能量的转化和守恒。主要是自然界物质本身的能量导致了地质作用，而地质作用又致使地质体物质能量转化和守恒，具体表现为地球内部作用形成的能量(热能)与外部作用形成的能量(水能、风能等)的转化和守恒过程。由于能量的转化、守恒，因此导致了地球物质(壳幔)的分异作用、均衡作用，形成了地下深部岩浆以及上升地表的火山熔浆、含矿流体和液体等，进而形成了波浪起伏的高山和具有经济开采价值和潜在价值的矿藏，伴随着分异作用、均衡作用的进一步演化，形成了泾渭分明的陆地、海洋、平原、河流等自然景观以及许多固、气、液矿床等矿产资源，乃至当今世界的地势地貌
特征。
参考文献
[1] 许洪才，谷永昌，姚宝刚，等.地质思维的物质观和时空观[J].河北地质学院学报，1995，18(6)：618-622 .
[2] 邓晋幅，赵海玲，莫宣学.中国大陆根-柱构造―大陆动力学的钥匙[M].地质出版社，1996.
[3] 李春昱，郭令智，朱夏.板块构造[M].中国地质科学院，1982.
[4] 卢作祥、范永香、刘辅臣.成矿规律和成矿预测学[M].中国地质大学出版社，1989.
[5] 黄怀曾，吴功建.岩石圈动力学研究[M].地质出版社，1994.
[6] 李红阳，牛树银，王立峰等.幔柱构造[M].地质出版社，2002.