第十一章 物理学与能源技术
2.能量转化的方向性和效率
能量的转化和转移无处不在。然而，许多情况虽
然并不违背能量守恒定律，但在实际情形中却不会发
生，这是为什么呢？
这是因为能量的转化具有方向性。
导入新课
1.认识到能量转移具有方向性。
2.认识能量转化效率。
学习目标
思考：水能从低处往高处流吗？水能自发地从低处往高处
流吗？
用抽水机就能实现水
从低处往高处流。
如果水是自发地流只能
从高处往低处流，同样能量
的自发流向也不是随意的，
即能量的转化具有方向性。
讲授新课
一、能量转化的方向性
1.讨论交流：这些情形可能吗？
试看分析以下过程能否实现，以及实现过程中的能量转
化情况。
（1）一杯水静置一段时间后，
其中的一部分水自行从另一部
分水中吸取热量，沸腾成水蒸
气?另一部分水则内能减少，凝
结成冰?
热传递的过程是有方向性的，这个过程可以向一
个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进
行。
注意：内能总是自发地从高温物体向低温物体转移
而不会自发地由低温物体向高温物体转移。
（2）枯萎的花儿，自发从空气中吸取能量和水分，重焕青
春？
枯萎的花儿，也不可能
自发从空气中吸取能量
和水分。
（3）坡底的巨石从周围环境中获取能量，滚向坡顶？
机械能可以全部转
化为内能，而内能不可全
部转化为机械能而不引起
其他变化！
（4）汽车从北京开到天津，掉转车头，可以不再消耗新的燃
料，从空气、尾气中吸取能量，返回北京？
返程不再
耗油…….
这是不可能的。因为被其他物质吸收后变为周围
环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，
这种现象叫作能量的耗散。能量的耗散从能量转化的
角度反映出自然界中宏观过程的方向性。
通过以上的分析很明显这些过程都是不可能实现
的，我们在现实生活中也从未看到这样的现象发生过。
自然界中许多自发的过程都是有方向的，或者说能量
的转化和转移也是有方向的。
2.能量流动具有方向性
（1）转移的方向性
热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，反之要想
使热量自发地从低温物体流入高温物体是不可能的。但如果有
外界适当的干预，或满足一定的条件，热量可以从低温物体转
移至高温物体。
例如，空调可以将热量从低温的室内移至高温的室外，但
外界必须做功，这种转移才是可能的，空调不开不做功，这种
转移就是不可能的。
（2）转化的方向性
指内能和其他形式的的能量（如电能、机械能等）
的相互转化具有方向性。其他形式的能量可以自发地转化
为内能，而内能不可无条件地转化为其他形式的能量。
例如，钟表在再次上紧发条之前,终会停下,机械能终
会完全转变为内能，内能不可自发地转化为机械能。
总之如果某个过程涉及了热量，能量的转化（和
转移）就将是“覆水难收”，无法自发地沿反方向发生，
除非我们耗费额外的能量提供帮助。
思考：因为能量是守恒的，所以我们不需要节约能源，
这种说法对吗？并说明原因。
现实的宏观世界中，物体间一旦存在温差，就会有热
量的传递；摩擦无处不在，机械能会不断转化为内能。我们
对能量的利用，无法避免涉及热量的生成与转移。于是，每
一次能量的利用。都会减少这个世界上可利用、便于利用的
能量的总量。
这种说法不正确，因为能量转化具有方向性。
这就是为什么虽然能量是守恒的，我们仍然要节约能源
的原因。
在实际工作和生活中，人们把一种能量转化为另一种
能量总是为了某种目的。
用燃气灶烧水，目的是为了把水烧热或烧开；并希望
烧水时将天燃气燃烧产生的热量完全传递给水壶中的水。
使用电梯是为了把人或物体提高到一定的高度；并
希望每消耗1千瓦时的电能完全转化成人或物体的势能。
二、能量转化中的效率
生活经验告诉我们，这些理想都不可能发生在所有的能
量利用过程中，能量损耗不可避免 。
以天燃气烧一壶水为例：
1.输入能量
我们把天然气完全燃烧释放出
的化学能称为输入能量。
3.输出无效能量
把散发到大气、壶体中的那部分能量称为输出无
效能量。
2.输出有效能量
壶水水吸收的那部分能量称为输出有效能量。
输入能量=输出有效能量+输出无效能量
4.输入能量、输出有效能量和输出无效能量的关系
根据能量守恒定律：
为了进一步描述这些过程，人们定义了能量的转
化效率。
5.能量转化效率
即η= ，任何情况下，η
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