能量守恒定律不仅适用于物体与物体之间的转化或转移,它更适用于人体内的能量转化。我们知道,当人在行走时,必然会消耗掉人体储存的能量,而人体的能量提供者为葡萄糖,在这一过程中,人是经过一系列的生化反应后,将化学能或生物能转化为人体的动能,从而支持人继续向前运动。就这个能量转化现象,我们不妨来看一个实例。

能量转化和守恒定律(能量守恒在人体中转化的有趣现象)(1)

人们在工作、学习甚至睡眠过程中都需要能量,而人体又不能进行光合作用产生葡萄糖,故而,人的能量最终来源于蔬菜或植物中。食物在人体内经过消化转化为葡萄糖(C6H12O6),其中括号内的化学式为葡萄糖的分子式,它是由6个碳原子,12个氢原子和6个氧原子通过化学键相连组成的。

能量转化和守恒定律(能量守恒在人体中转化的有趣现象)(2)

而人在进行有氧呼吸时,将体内的葡萄糖分解为水和二氧化碳,同时释放出E=2.8×10³×10³J/mol的能量。在这个式子中,符号J为能量单位焦耳,符号mol为物质的量的单位。现在,一个质量为60Kg的短跑运动员起跑时以1/6S的时间冲出了1m远,那么运动员在这一瞬间消耗掉了体内多少葡萄糖呢?

能量转化和守恒定律(能量守恒在人体中转化的有趣现象)(3)

分析:运动员在跑步的过程中,从能量守恒的角度看,他是将人体内储存的化学能转化成了运动员的动能,所以,我们必须先求出运动员的动能变化量。求运动员的动能变化量就必须知道运动员的初末速度,运动员的初速度为零这个是已知的,但是运动员在运动1/6S的时间后,他的末速度就是未知的了。

能量转化和守恒定律(能量守恒在人体中转化的有趣现象)(4)

现在,我们要将运动员运动的情况转化为物理模型来加以研究。运动员在跑出1m远的时间是非常短暂的,我们不妨假设运动员在1/6S时间内在做匀加速直线运动,由运动学中的知识可得,位移S=V×T,其中V为运动员1/6S时间内的平均速度,再由V=(V0 Vt)/2可知,运动员经过1/6S后的速度Vt=12m/S。

能量转化和守恒定律(能量守恒在人体中转化的有趣现象)(5)

求出了这个末速度后,我们就可以得出运动员在1/6S时间内动能的变化量,即△Ek=1/2mVt²-0。带入数据后解得运动员的动能变化量为△Ek=4320J。在解答这道题目时,还必须对化学知识有所了解。

我们知道,一个碳原子的相对原子质量为12,一个氢原子的相对原子质量为1,一个氧原子的相对原子质量为16,因此,一个葡萄糖的相对分子质量为180,而葡萄糖的相对分子质量却等于葡萄糖的摩尔质量,即葡萄糖的摩尔质量为180g/mol。

能量转化和守恒定律(能量守恒在人体中转化的有趣现象)(6)

所以,运动员跑出1m后消耗掉体内的葡萄糖质量为m,则有m=△Ek/E×180g/mol,带入数值得出运动员消耗掉体内的葡萄糖m≈0.28g。

所以说,能量即不会凭空的产生,也不会凭空的消失,它只在一个物体或系统内进行转移或转化,从而保持着平衡,这就是自然界中三大定律之一的能量守恒定律。

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