科學學習筆記：能量的轉變
各位同學，準備好一起探索奇妙的能量世界了嗎？你可曾想過，手機為何能運作？我們為何能跑動？太陽又如何為我們帶來溫暖？這一切都與能量息息相關！在這份筆記中，我們將學習甚麼是能量、它有甚麼不同的形態，以及它如何在我們周圍流動和轉變。這是一個超級重要的課題，因為能量讓萬物運轉！讓我們一起開始吧。
1. 甚麼是能量？做事情的動力！
在科學中，能量簡單來說就是做功或引起變化的能力。你無法握住它，但你可以看到它的作用。你可以把它想像成一種超能力，讓物體移動、變熱或發光。
能量的不同形態
能量以許多不同的形態存在。想像你有一系列不同的超級英雄模型——他們都是英雄，但各有不同的超能力。能量也是如此！以下是你需要知道的主要能量形態：
- 動能：這是指運動中的能量。任何正在移動的物體都具有動能。
例子：一個跑步的人、一輛行駛中的汽車、一個轉動的風扇。 - 勢能：這是儲存起來等待使用的能量。就像一條拉緊的橡皮筋——它雖然沒有移動，但卻有潛力去做功！
例子：高架上的書、拉緊的橡皮筋、水壩後面的水。 - 化學能：這種能量儲存在原子之間的鍵中。它在化學反應中釋放出來。
例子：你吃的食物、電池、燃燒前的木材或煤。 - 熱能：這種能量與溫度有關。物體越熱，它所含的熱能就越多，因為其微小粒子移動得更快。
例子：一杯熱朱古力、篝火、燈泡發出的熱量。 - 光能：這是我們能看見的能量。它以波的形式傳播。
例子：陽光、燈光、手機屏幕。 - 聲能：這種能量是由振動產生的，並透過空氣（或其他物質）傳播到我們的耳朵。
例子：說話、揚聲器播放的音樂、拍手聲。 - 電能：這是移動電荷（電子）的能量，我們通常稱之為電力。
例子：牆壁插座的電力、閃電。
我們如何測量能量？
我們以焦耳 (J) 為單位測量能量。對於較大的能量，我們使用千焦耳 (kJ)。你可能還會看到千卡 (kcal) 這個單位，它常用於測量食物中的能量（你可能知道它們被稱為「卡路里」）。
重點提示
能量是引起變化的能力，它以多種形式存在，例如動能（運動中）、勢能（儲存）、化學能、熱能、光能、聲能和電能。我們以焦耳 (J) 為單位測量能量。
2. 能量會轉變！ (能量轉換)
能量可以千變萬化！它可以從一種形式轉變為另一種形式。這被稱為能量轉換或能量轉化。這無時無刻都在發生。一個裝置可以同時進行多種能量轉換！
讓我們看一個簡單的例子：一個電池供電的手電筒。
- 電池內儲存著化學能。
- 當你打開手電筒時，化學能會轉化為電能，並流經電線。
- 電能流向燈泡，燈泡將其轉化為光能（有用的部分！）和熱能（這就是燈泡會變熱的原因）。
所以，能量轉換是：化學能 → 電能 → 光能 + 熱能
一些常見的能量轉換
- 燃燒木材：木材中的化學能轉化為熱能和光能。
- 光合作用：植物是驚人的能量轉換器！它們從太陽獲取光能，並將其轉化為化學能，儲存為食物。
- 發電：在發電廠中，燃燒燃料（化學能）將水加熱產生蒸氣。蒸氣的運動（動能）轉動渦輪機，從而產生電能。
- 一個人跑步：食物中的化學能轉化為動能（用於運動）和熱能（這就是你運動時會感到熱的原因）。
重點提示
能量不會只停留在一種形式。它會不斷地從一種形態轉變為另一種。這個過程，稱為能量轉換，正是我們世界運作的基礎。
3. 能量永不消失！ (能量守恆定律)
這是科學中最重要的一條定律之一。能量守恆定律指出：
能量既不能被創造，也不能被毀滅，它只能從一種形式轉換為另一種形式。
這意味著宇宙中能量的總量始終不變！它只是四處流動並改變形態。
有用能量與耗散能量
當我們使用電器時，我們希望它將能量轉換為有用的形式。例如，對於一盞燈來說，有用的能量是光。但沒有任何能量轉換是百分百完美的。總有一些能量會「損失」或轉變為我們不想要的形式。我們通常稱這種能量為「耗散能量」或「被浪費」的能量。大多數時候，這種耗散的能量是熱能或聲能。
例子：一台電視機。
有用能量：光和聲音。
耗散能量：熱（你可以感覺到電視機變熱）。
但請記住，這些「耗散」的能量並不是被毀滅了！它只是讓周圍環境稍微變暖。總能量仍然守恆。
展示能量守恆：桑基圖
桑基圖是一種特殊的流程圖，用於顯示能量如何轉換。箭頭的寬度表示能量的大小。
- 左邊的箭頭顯示總輸入能量。
- 指向右邊的直線箭頭顯示有用輸出能量。
- 彎曲出去的箭頭（通常向下）顯示耗散能量輸出。
重要提示：在桑基圖中，輸入箭頭的總寬度始終等於所有輸出箭頭的總寬度。這是能量守恆的一種直觀呈現方式！
重點提示
能量始終守恆——它既不會被創造，也不會被毀滅。在任何能量轉換中，你最初擁有的總能量與最終的總能量相同，即使其中一部分以熱或聲音的形式「耗散」掉了。
4. 善用能量 (效率)
（這是一個延伸課題——非常適合挑戰自己！）
有些裝置在工作表現上比其他裝置更好。例如，一個「節能」燈泡，它在發熱方面浪費很少能量，並將大部分電能轉化為有用的光。
效率是用來衡量多少輸入能量被轉換為有用輸出能量的指標。我們通常以百分比 (%) 表示。
計算效率的公式是：
$$Efficiency = {Useful\;energy\;output \over Total\;energy\;input} \times 100\%$$例子：讓我們比較兩個燈泡。兩者都使用 100 J 的電能。
- 舊式鎢絲燈泡：它產生 10 J 的有用光能。其餘 90 J 則以熱能形式耗散。
效率 = (10 J / 100 J) x 100% = 10% 效率。 - 現代 LED 燈泡：它產生 85 J 的有用光能。只有 15 J 以熱能形式耗散。
效率 = (85 J / 100 J) x 100% = 85% 效率。
LED 燈泡的效率高得多，因為它耗散的能量更少！
重點提示
效率告訴我們一個裝置將能量轉換為有用形式的能力有多好。效率越高的裝置，耗散的能量越少。
5. 熱量如何傳播 (熱傳遞)
熱能（熱量）總是從較熱的地方傳播到較冷的地方。它有三種傳播方式：傳導、對流和輻射。別擔心，我們會用簡單的例子來理解它們！
1. 傳導
傳導是熱量通過固體傳播的方式。熱能從粒子傳遞到粒子，就像一連串人傳遞一桶水一樣。粒子本身不會移動，它們只是振動並撞擊其鄰近的粒子，從而傳遞能量。
- 原理：粒子的直接接觸。
- 最適用於：固體，特別是金屬（它們是良好的導體）。
- 不適用於：真空（沒有物質的空間），因為沒有粒子可以互相撞擊。
- 現實例子：如果你把金屬勺子放在一杯熱茶裡，勺柄最終會變熱。熱量會沿著勺子傳導上去。不善於傳導熱量的材料，如木材或塑膠，被稱為絕熱體。這就是為什麼鍋柄通常由塑膠製成！
2. 對流
對流是熱量通過流體（液體和氣體）傳播的方式。當流體的一部分受熱時，它會膨脹，密度變小，然後上升。較冷、密度較大的流體隨後下沉以取代其位置，然後受熱並上升。這形成了循環流動，稱為對流。
- 原理：受熱流體本身的移動。
- 最適用於：液體和氣體。
- 不適用於：固體（粒子不能自由移動）或真空。
- 現實例子：鍋中煮沸的水。鍋底的水受熱後上升，而上面較冷的水則下沉受熱。另一個例子是海風，它是空氣中巨大的對流。
3. 輻射
輻射是熱量以波的形式（特別是紅外線）傳播的方式。它不需要粒子傳播，因此是熱量能夠穿過真空（沒有物質的空間）的唯一方式。
- 原理：以波的形式傳播，不需要粒子。
- 最適用於：真空，但也能透過透明物質如空氣和玻璃傳播。
- 影響因素：深色、暗啞的表面善於吸收和發射熱輻射。淺色、光亮的表面則不善於此（它們反而會反射熱量）。
- 現實例子：我們如何感受到太陽的熱量，即使它相隔數百萬公里並穿過真空空間。另一個例子是遠距離感受篝火的溫暖。這也是為什麼應急毯是閃亮的——為了將你身體的熱量反射回你身上。
你知道嗎？
真空保溫瓶（如暖水壺）的設計旨在阻止所有三種熱傳遞方式！
- 瓶壁之間的真空阻止了傳導和對流。
- 光亮的鍍銀表面阻止了輻射。
重點提示
熱量從熱處向冷處傳播有三種方式：傳導（透過固體）、對流（透過液體/氣體）和輻射（透過波，甚至在真空中）。
6. 我們的能量從何而來？ (能量來源)
我們每天都使用大量的能量。但這些能量從何而來呢？我們把這些地方稱為能量來源。
化石燃料 (不可再生能源)
現今世界大部分的能量都來自化石燃料。它們是煤、石油和天然氣。它們是數百萬年前古代植物和動物的殘骸形成的。
它們被稱為不可再生能源，因為我們使用它們的速度遠遠快於它們的形成速度。一旦用完，它們就會在很長很長時間內消失！
化石燃料的問題：
- 供應有限：它們最終會耗盡。
- 污染：燃燒它們會向大氣釋放有害氣體，導致酸雨和氣候變化等問題。
替代能源 (能量的未來)
由於化石燃料的問題，我們需要尋找其他獲取能量的方式。這些被稱為替代能源。其中大部分是可再生能源，這意味著它們不會耗盡。
- 太陽能：來自太陽的能量。我們使用太陽能電池板將陽光直接轉換為電力。它很潔淨，但晚上無法運作！
- 風力發電：利用風力渦輪機將風的動能轉換為電力。
- 水力發電：利用流動水的能量（通常來自水壩）轉動渦輪機並發電。
- 生物質能：燃燒有機物質（如木材或特殊農作物）產生的能量。它是可再生的，因為我們可以不斷種植更多植物。
- 核能：這種能源透過分裂原子（一種稱為核裂變的過程）獲取能量。它從少量燃料中產生大量的能量，並且不會造成空氣污染。然而，它是不可再生的，而且人們對放射性廢物的安全處置和事故風險有重大擔憂。
替代能源的擔憂
即使是可再生能源也有其缺點。例如，一些人擔心大型風力發電場（許多風力渦輪機）會產生噪音並傷害鳥類。權衡每種能量來源的利弊是很重要的。
節約能源是最好的來源！
最潔淨、最便宜的能量，就是我們沒有使用的能量！認識到節約能源的重要性至關重要。我們都可以透過在日常生活中做出小改變來提供幫助：
- 離開房間時關燈。
- 不使用電子產品時拔掉插頭。
- 短程旅程步行或騎單車，而不是開車。
- 使用節能電器。
重點提示
我們主要的能量來源是不可再生的化石燃料，它們會造成污染並正在耗盡。我們正在開發更潔淨的可再生替代能源，如太陽能和風能。我們大家最重要能做的事情就是節約能源。