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能量轉化和守恒定律

生活 更新时间:2024-08-03 03:16:21

能量守恒定律不僅适用于物體與物體之間的轉化或轉移,它更适用于人體内的能量轉化。我們知道,當人在行走時,必然會消耗掉人體儲存的能量,而人體的能量提供者為葡萄糖,在這一過程中,人是經過一系列的生化反應後,将化學能或生物能轉化為人體的動能,從而支持人繼續向前運動。就這個能量轉化現象,我們不妨來看一個實例。

能量轉化和守恒定律(能量守恒在人體中轉化的有趣現象)1

人們在工作、學習甚至睡眠過程中都需要能量,而人體又不能進行光合作用産生葡萄糖,故而,人的能量最終來源于蔬菜或植物中。食物在人體内經過消化轉化為葡萄糖(C6H12O6),其中括号内的化學式為葡萄糖的分子式,它是由6個碳原子,12個氫原子和6個氧原子通過化學鍵相連組成的。

能量轉化和守恒定律(能量守恒在人體中轉化的有趣現象)2

而人在進行有氧呼吸時,将體内的葡萄糖分解為水和二氧化碳,同時釋放出E=2.8×10³×10³J/mol的能量。在這個式子中,符号J為能量單位焦耳,符号mol為物質的量的單位。現在,一個質量為60Kg的短跑運動員起跑時以1/6S的時間沖出了1m遠,那麼運動員在這一瞬間消耗掉了體内多少葡萄糖呢?

能量轉化和守恒定律(能量守恒在人體中轉化的有趣現象)3

分析:運動員在跑步的過程中,從能量守恒的角度看,他是将人體内儲存的化學能轉化成了運動員的動能,所以,我們必須先求出運動員的動能變化量。求運動員的動能變化量就必須知道運動員的初末速度,運動員的初速度為零這個是已知的,但是運動員在運動1/6S的時間後,他的末速度就是未知的了。

能量轉化和守恒定律(能量守恒在人體中轉化的有趣現象)4

現在,我們要将運動員運動的情況轉化為物理模型來加以研究。運動員在跑出1m遠的時間是非常短暫的,我們不妨假設運動員在1/6S時間内在做勻加速直線運動,由運動學中的知識可得,位移S=V×T,其中V為運動員1/6S時間内的平均速度,再由V=(V0 Vt)/2可知,運動員經過1/6S後的速度Vt=12m/S。

能量轉化和守恒定律(能量守恒在人體中轉化的有趣現象)5

求出了這個末速度後,我們就可以得出運動員在1/6S時間内動能的變化量,即△Ek=1/2mVt²-0。帶入數據後解得運動員的動能變化量為△Ek=4320J。在解答這道題目時,還必須對化學知識有所了解。

我們知道,一個碳原子的相對原子質量為12,一個氫原子的相對原子質量為1,一個氧原子的相對原子質量為16,因此,一個葡萄糖的相對分子質量為180,而葡萄糖的相對分子質量卻等于葡萄糖的摩爾質量,即葡萄糖的摩爾質量為180g/mol。

能量轉化和守恒定律(能量守恒在人體中轉化的有趣現象)6

所以,運動員跑出1m後消耗掉體内的葡萄糖質量為m,則有m=△Ek/E×180g/mol,帶入數值得出運動員消耗掉體内的葡萄糖m≈0.28g。

所以說,能量即不會憑空的産生,也不會憑空的消失,它隻在一個物體或系統内進行轉移或轉化,從而保持着平衡,這就是自然界中三大定律之一的能量守恒定律。

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