核能發電:
核能→水和蒸汽的內能→發電機轉子的機械能→電能。
核能發電
利用核反應堆核裂變釋放的熱能發電的壹種方式。它與火力發電非常相似。只有核反應堆和蒸汽發生器被用來代替鍋爐進行火力發電，核裂變能被用來代替化石燃料的化學能。除了沸水堆(見輕水堆)，其他類型的動力堆都是由壹回路中的冷卻劑通過堆芯加熱，將熱量傳遞給蒸汽發生器中的二回路或三回路中的水，然後形成蒸汽驅動渦輪發電機。沸水堆(BWR)就是壹回路中的冷卻劑被堆芯加熱，變成70個大氣壓左右的飽和蒸汽，從蒸汽中分離出來，幹燥後直接驅動渦輪發電機。
簡史核能發電的歷史與動力反應堆的發展史密切相關。動力反應堆的發展最初是為了軍事需要。1954年，蘇聯建成世界上第壹座核電站，裝機容量5兆瓦。英國、美國和其他國家也建造了各種類型的核電站。到1960年，將在5個國家建設20座核電站，裝機容量1279 MW。由於核濃縮技術的發展，核能發電的成本已經比火力發電低了1966。核能發電已經真正進入實用階段。1978年，全球22個國家和地區有200多座30兆瓦以上的核電站反應堆在運行，總裝機容量為107776兆瓦。20世紀80年代，化石能源短缺日益突出，核能發電進展較快。到1991年，全球已有近30個國家和地區建成核電機組423臺，總容量3.275億千瓦，約占世界總發電量的16%。世界上第壹座核電站——蘇聯奧布寧斯克核電站。
中國大陸核電起步較晚，20世紀80年代才開始建設核電站。我國自行設計建造的30萬千瓦秦山核電站於1991年底投產。大亞灣核電站正在加緊建設。
核能發電的原理核能發電的能量來源於核反應堆中裂變材料(核燃料)的裂變反應所釋放的裂變能量。裂變反應是指鈾-235、鈈-239、鈾-233等重元素在中子的作用下分裂成兩個碎片，同時釋放出中子和大量能量的過程。在反應中，可裂變物質的原子核吸收壹個中子，然後分裂並釋放兩到三個中子。如果將這些中子移走並消耗掉，至少有壹個中子可以引起另壹個原子的核裂變，使裂變自行進行，那麽這個反應就叫核裂變的鏈式反應。實現連鎖反應是核能發電的前提。
為了用反應堆產生核能，需要解決以下四個問題:①為將要進行的核裂變鏈式反應提供必要的條件。②連鎖反應必須由人通過壹定的裝置來控制。不受控制的裂變能量不僅可以用來發電，還會導致災難。③裂變反應產生的能量應從反應堆中安全取出。(4)裂變反應產生的中子和放射性物質對人體的危害很大，必須盡量避免它們對核電站工作人員和附近居民的危害。
利用核能為微型設備提供動力。
目前，世界各地的研究人員正在開發寬度小於人類頭發的微型器件，用於從生化傳感器到醫療植入物的各種用途。但是這方面有壹個障礙:目前還沒有人能想出壹種能和這麽小的微型機械裝置相匹配的能源。
現在，威斯康星大學的壹組工程師認為他們可能找到了正確的方法。他們已經開始了壹個利用核能提供能源的項目，但這些發電機將完全不同於為家庭和工廠提供電力的圓頂核電站。
這些微型裝置的能量不是由旋轉的渦輪機產生的，而是利用微量放射性物質通過它們的衰變來發電。這種做法以前也有過，但規模要大得多。人們已經使用這種方法為各種設備提供能量，從起搏器到探索太陽系黑暗外層空間的航天器。
威斯康星大學核能工程教授詹姆斯·布蘭查德(James blanchard)說，“這在我們現在討論的規模上是前所未有的。”布蘭查德領導的研究團隊正在嘗試開發這項技術，這項研究已經獲得了美國能源部45萬美元的撥款。
雖然僅僅提到核能就會讓壹些人脊背發涼，但研究人員表示，他們的發電機只使用非常少的放射性物質，因此安全應該不是問題。布蘭查德說，最適合這項技術的元素是居裏夫婦在1898年發現的釙。
放射性物質已被廣泛用於許多設備，包括煙霧探測器。其他復印機也使用條形放射性物質來消除紙張之間的靜電。然而，如果核電要成為未來微型機器的能源，這項技術必須降低到微觀水平。布蘭查德說，用放射性物質發電有兩種方式。放射性物質衰變時放出的熱量可以使壹些物質釋放電子，從而形成電能。但是研究小組更喜歡更直接的方法。
布蘭查德說:“當放射性同位素衰變時，它會釋放出帶電粒子，這樣妳就可以直接捕獲這些帶電粒子，並利用它們來發電。”他說，相對於這些設備的規模，這些粒子產生的電壓非常高。布蘭查德說，他的研究團隊沒有直接考慮這些微型設備的用途。他認為，壹旦有了合適的能源，別人就會想出很多用途。事實上，全球數十個實驗室壹直在開發名為MEMS的微機電設備，這是當今高科技領域的關鍵課題之壹。
(1)自然界不同形式的能量對應不同形式的運動:物體的運動有機械能，分子的運動有內能，電荷的運動有電能，原子核內部的運動有原子能。
(2)不同形式的能量可以相互轉化:“摩擦通過克服摩擦做功，將機械能轉化為內能而產生熱量；當水壺裏的水沸騰時，蒸汽作用在壺蓋上，將壺蓋提起，說明內能轉化為機械能。電可以通過電熱絲做功轉化為內能，等等。”這些例子說明不同形式的能量是可以相互轉化的，這個轉化過程是通過做功來完成的。
(3)某種形式的能量減少，必然有其他形式的能量增加，而且減少和增加必須相等。當壹個物體的能量減少時，必然有其他物體的能量增加，而且減少和增加必須相等。
能量守恒的具體表現
保守力學系統:在只有保守力做功的條件下，系統的能量表現為機械能(動能和勢能)，能量守恒具體表現為機械能守恒定律。
熱力學系統:能量表現為內能、熱和功，能量守恒的表現形式是熱力學第壹定律。
相對論力學:在相對論中，質量和能量可以相互轉化。考慮到質量變化引起的能量變化，能量守恒定律仍然成立。在歷史上，這種情況下的能量守恒定律也被稱為質量和能量守恒定律。
流入系統的總能量必須等於流出系統的總能量加上系統內部能量的變化，能量可以從壹種形式轉化為另壹種形式。
系統中儲存能量的增加等於進入系統的能量減去離開系統的能量。
[編輯此段]能量守恒定律的意義
能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的基本定律之壹。從物理化學到地質生物學，再到宇宙天體。小到原子核，只要有能量轉化，就壹定遵守能量守恒定律。這個規律在日常生活、科學研究和工程技術中起著重要的作用。煤炭、石油等燃料以及水電、風能、核能等各種能源的利用都是通過能量轉換來實現的。能量守恒定律是人們認識和利用自然的有力武器。
年輕的醫生和釀酒師發現新的科學原理。
【編輯此段】——能量守恒和轉化定律的發現
能量守恒和能量轉化定律、細胞理論和進化論合稱為19世紀自然科學的三大發現。能量守恒和轉化定律的發現，和壹個“瘋狂”的醫生有關。
這個被稱為“瘋子”的醫生名叫邁爾(1814~1878)，德國漢堡人。1840開始在漢堡獨立行醫。他凡事總要問為什麽，壹定要親自去觀察、研究、實驗。1840年2月22日隨船隊來到印尼，船上醫生。有壹天，船隊在加爾各答靠岸，船員因為水土不服生病了，於是邁爾按照老辦法給船員放血。在德國，妳治療這種病，只需要在病人的靜脈裏插壹根針，就能放出壹股黑紅色的血，而在這裏，從靜脈裏流出來的依然是鮮紅的血。因此，邁耶開始思考:人的血液是紅色的，因為它含有氧氣，氧氣在人體內燃燒產生熱量，維持人體體溫。這裏很熱，人不需要燃燒那麽多氧氣來維持體溫，所以血管裏的血液還是鮮紅色的。那麽，人身上的熱度從何而來？最多500克的心臟，它的運動根本產生不了那麽多熱量，也無法單獨維持人的體溫。那個體溫是由全身的血肉維持的，而這些血肉又來自於人們所吃的食物。無論他們吃肉還是吃蔬菜，它們都必須來自植物，而植物是靠太陽的光和熱生長的。太陽的熱度呢？如果太陽是壹塊煤，可以燃燒4600年，這當然不可能。肯定是別的東西，是我們未知的能量。他大膽地介紹，太陽中心大約是2750萬度(現在我們知道是15萬度)。梅耶爾越想越歸結為壹點:能量是如何轉化(轉移)的？
壹回到漢堡，他就寫了壹篇《論無機邊界的力》，用自己的方法測得了365kg·m/kcal的熱的力學當量。他向《物理學年鑒》提交了論文，但沒有發表，所以他不得不在壹本鮮為人知的醫學雜誌上發表。他到處演講:“看，太陽發出光和熱，地球上的植物吸收它們並產生化學物質……”但就連物理學家都不敢相信他的話，不尊重地稱他為“瘋子”，梅耶爾的家人也懷疑他瘋了，請醫生為他治療。由於不被理解，他最終跳樓自殺。
與邁耶同時代的還有壹位英國人——焦耳(1818~1889)，從小在道爾頓門下學習化學、數學和物理。他壹邊做科研，壹邊管理父親留下的釀酒廠。在1840中，他發現當帶電的電線放入水中時，水會升溫。通過精密的試驗，他發現通電導體產生的熱量與電流強度的平方成正比，導體的電阻與通電時間成正比。這是焦耳定律。1841年10月，他的論文發表在《哲學雜誌》上。後來他發現，不考慮化學能，電能產生的熱量相當於某壹功，即460kg·m/kcal。從65438到0845，他帶著自己的實驗儀器和報告去參加在劍橋舉行的學術會議。他當場完成實驗，宣布自然界的力(能量)是不可毀滅的。凡是消耗機械力(能量)的地方，總會獲得相當多的熱量。但臺下的著名科學家都對這個新理論搖頭，甚至法拉第也說:“這是不可能的。”還有壹個數學教授叫威廉·湯姆孫(1824~1907)。他8歲隨父親上大學，10歲考上大學。他是個巫師。今天，當他聽到壹個釀酒人在這裏大喊壹些奇怪的理論時，他非常不客氣地當場離開了會議。
焦耳沒有把人們的不理解放在心上。他回家繼續做實驗。他已經做了40年了。他把熱量的機械當量精確到423.9千克米/千卡。1847年，他帶著自己新設計的實驗來到英國科學協會的會場。在他的強烈懇求下，會議主席給了他很少的時間做實驗而不做報告。在公開演示他的新實驗時，焦耳解釋說:“妳看，機械能可以定量地轉化為熱量，反過來，1000大卡的熱量也可以轉化為423.9千克米的功……”突然，臺下有人喊道:“胡說，熱是物質，是熱原，和工作沒關系。”是唐慕孫。焦耳平靜地回答:“熱不能做功，那麽蒸汽機的活塞為什麽會運動呢？”如果能量不守恒，為什麽永動機永遠造不出來？”焦耳平淡的話語頓時讓觀眾沈默了。臺下的教授們不禁認真思考起來。壹些人在焦耳的儀器前左顧右盼，壹些人開始爭論。
唐木孫碰了釘子後，開始思考。他開始自己做實驗，自己找資料。沒想到，他找到了邁耶幾年前發表的文章，想法和焦耳壹模壹樣！他拿著自己的實驗結果和邁耶的論文去找焦耳。他決定低聲下氣地道歉，並要求焦耳和他討論這個發現。
唐慕孫在釀酒廠遇到了焦耳，在焦耳的實驗室裏看著各種自制的儀器。他被焦耳的毅力深深感動了。唐慕孫拿出邁耶的論文說:“焦耳先生，看來妳是對的。我今天是來道歉的。妳看，直到我看了這篇論文，我才覺得妳是對的。”焦耳看到報紙時，臉上露出喜色。“唐慕孫教授，可惜妳不能再和他討論這個問題了。這樣的天才，因為不被理解，跳樓自殺了。他雖然沒有摔死，但已經精神錯亂了。”
唐慕孫低下頭，久久無語。過了壹會兒，他擡起頭來說:“真對不起，我到現在才知道我的罪。”過去，我們這些人給了妳多大的壓力。請原諒，壹個科學家在新思想面前有時表現得非常無知。“壹切都變得明亮了，他們並肩坐在壹起，開始研究實驗。
1853，兩人終於完成了能量守恒和轉化定律的準確表述。
能量轉化守恒定律有三種表述:永動機不能引起，能量轉化守恒定律和熱力學第壹定律。這三個表達式在文獻中描述如下:“熱力學第壹定律是能量守恒定律。”根據能量守恒定律，...所謂永動機，必須造。反過來，能量守恒定律也可以從永動機的故障中推導出來。”這裏不難看出，三種表達方式是完全等價的。但筆者認為，這種對等是現代人賦予他們的現代價值。如果從歷史發展的角度來看，會發現三種表述各有連續性，但也有區別。這種差異反映了人類認識規律的不同階段。
1定律的經驗表達式——永動機不可能引起(1475 ~ 1824)
很久以前，人類就開始利用自然力為自己服務，到了十三世紀，制造永動機的願望開始萌芽。15世紀，偉大的藝術家、科學家和工程師達芬奇(1452 ~ 1519)也致力於永動機的研究。他曾經設計過壹個非常巧妙的流體動力機器，但是造出來之後並沒有壹直持續下去。1475年，達芬奇總結了歷史上自己失敗的教訓，得出了壹個重要結論:“永動機是不可能的。”在工作中，他也意識到，機器之所以永遠動不了，應該和摩擦力有關。因此，他對摩擦力進行了深入有效的研究。但是，達芬奇始終沒有對摩擦為什麽會阻礙機器的運動給出科學的解釋，也就是說，他無法認識到摩擦(機械運動)與熱現象之間的本質聯系。
此後，盡管人們仍致力於永動機的發展，但壹些科學工作者得出了永動機不可能引起的結論，並把它作為科學研究中的壹個重要原理。荷蘭數學力學家斯臺文(1548 ~ 1620)在1586年應用這壹原理，通過對“斯臺文鏈”的分析，首次推導出力的平行四邊形法則。伽利略在證明慣性定律時也應用了這個原理。
盡管該原理的應用取得了如此顯著的成就，但人們開發永動機的熱情並未減退。惠更斯(C惠更斯1629 ~ 1695)
這個觀點在他1673出版的《擺鐘》壹書中有所體現。在書中，他將伽利略關於斜面運動的研究成果應用於曲線運動，得出當物體在重力作用下繞水平軸旋轉時，其質心不會上升到下落時的高度以上。所以他得出結論，用機械方法不可能制造出永動機；但是他認為永動機仍然可以用磁鐵來制造。鑒於這種情況，1775年，巴黎科學院不得不宣布不再接受永動機的發明。
歷史上，年輕的法國科學家薩迪·卡諾(1796 ~ 1832)運用永動機做不出來的原理，取得了最輝煌的科研成就。1824年，他將這壹原理與熱量理論相結合，推導出著名的卡諾定理。該定理為提高熱機效率指明了方向，為熱力學第二定律的提出奠定了基礎。但這裏需要強調的是，卡諾雖然把永動機不能導致熱機的原理應用到了熱機上，但他的思維方法仍然是“機械的”。他在論證中把熱量從高溫熱源流向低溫熱源與水從高處流向低處相比較，認為熱量推動熱機做功就像水推動渦輪做功壹樣，在流動中沒有水和熱量的損失。
可以看出，從1475，達芬奇提出“永動機不可能引起”到1824，卡諾推出“卡諾定理”時，該原理只能應用於機械運動和“熱和質量”流。它遠不是現代意義上的能量轉化和守恒定律，它只能是對機械運動中能量守恒的經驗總結，是該定律的原始形式。
1891年，亥姆霍茲(h .亥姆霍茲1821 ~ 1894)400)
回顧他對力的守恒定律成因的研究，他說:“如果永動機是不可能的，那麽在自然條件下不同的力之間應該存在什麽樣的關系？”而且，這些關系實際存在嗎？“可見‘永動機不可致’還是膚淺的，人們還是要努力去理解它的深刻內涵。
定律2的最初表述——力的守恒(1824 ~ 1850)
“能量轉換與守恒定律”的提出，必須以134為基礎:正確認識熱的本質；發現物質運動的各種形式之間的轉化；相應的科學思想。到了19世紀，這三個條件都滿足了。
1798年，倫福德(C rum Ford 1753 ~ 1814)向英國皇家學會提交了壹份由炮管實驗得到的熱運動理論的實驗報告。1800，戴維(D·H·戴維1778 ~ 1829)
通過在真空中摩擦冰塊來融化冰塊的實驗支持了倫福德的報告。1801年，托馬斯·楊(1773 ~ 1829)說光和熱具有相同的性質，並強調熱是壹種運動。從此熱運動學說開始逐漸取代熱量學說。
18、19世紀之交，各種自然現象之間的相互轉化相繼被發現:繼熱轉化為功、光的化學效應被發現之後，1800年又發現了紅外線的熱效應。電池壹發明，就發現了電流的熱效應和電解作用。1820年發現電流的磁效應，1831年發現電磁感應現象。熱電現象發現於1821年，其逆現象發現於1834年。等壹下。
世紀之交，以自然為“生命力”的思想在德國發展為“自然哲學”。這種哲學把整個宇宙看作是某種根本力量的發現所導致的歷史發展的產物。從這個角度來看，所有的自然力都可以看成壹個東西。當時，這種哲學在德國和壹些西歐國家占主導地位。
這時，提出力的守恒原理是勢在必行的。
在歷史上，卡諾是第壹個提出熱能轉換為功的人。他認為:“熱只不過是壹種力量，或者僅僅是壹種變化形式的運動。”熱是壹種鍛煉。對於壹個物體的壹小部分來說，如果力量被毀滅，同時，必然會產生與毀滅力量嚴格成正比的熱量。相反，熱量消失的地方，必然有電力。因此，可以確立力量的大小在本質上是不變的，更確切地說，力量的大小既不能產生，也不能消滅。”同時，他給出了熱量的機械當量的粗略數值。
不幸的是，卡諾的想法在1878年被發現，在他死後46年。在此之前，1842，德國的邁爾(J R Mayer 1814 ~ 1878)400)。
他是第壹個發表關於力的守恒和無機邊界力的綜合性論文的人。在這篇論文中，他從“自然哲學”出發，以思辨的方式從“因等於果”的因果鏈中釋放出25種力的轉化形式。在1845中，他還用定壓比熱容和定容比熱容之差:Cp-Cv=R，計算出熱功的當量值為1卡，等於365g·m。
1843年，英國實驗物理學家焦耳(J·P·Joule 1818 ~ 1889)400)style . width = 400；" & gt
在《哲學雜誌》上，他發表了測量熱的機械當量的實驗報告。從那以後，他做了越來越詳細的工作，確定了更精確的當量值。1850年，他發表了結果:“生產壹磅水(在真空中稱量，溫度在55-60之間)並增加1華氏度的熱量，需要下落壹英尺所代表的772磅機械功。”焦耳的工作為“力的守恒”原理奠定了堅實的實驗基礎。
德國科學家亥姆霍茲於1847年出版了他的《力的守恒》壹書。在這篇論文中，他提出所有的自然現象都應該用粒子與中心力相互作用的運動來解釋。
這證明活力和張力之和對中心力是保守的。在引言中，他還討論了熱現象、電現象、化學現象和機械力之間的關系，指出了將“力的守恒”原理應用於生命體的可能性。因為亥姆霍茲的討論方式很物理，他的影響比邁耶和焦耳都大。
雖然，到目前為止，該定律的發現者仍然稱能量為“力”；而且定律的表述不夠準確，但本質上他們發現了能量轉化和守恒定律。對比兩種表述，可以看出“力的守恒”比“永動機不能引起”要深刻得多。“力的守恒”指的是物質運動的所有形式，當它被承認的時候；同時又是在壹定哲學思想(邁耶)指導下，在實驗(焦耳)基礎上，由公理化結構(亥姆霍茲)建立起來的理論。如果我們還用“永動機不可因”來表達這個定律，它已經賦予了它新的內涵，即現在的機器可以是機械的、熱的、電磁的、化學的甚至生物的；同時也揭示了永動機不能永遠運動的原因。
此外，我們還應該看到，雖然“力的守恒”原理有焦耳的熱的機械當量和電熱當量的關系，以及亥姆霍茲推導出的各種關系，但它們都是獨立的，不能用壹個統壹的解析式來表示。所以“力的守恒”還不夠成熟。
定律3-熱力學第壹定律的解析表達式(1850 ~ 1875)
用解析的方式表達定律，只有熱、功、能、內能這些概念才能準確定義。
熱力學理論建立後，很多人仍然覺得難以理解，尤其是第二定律。因此，從1854開始，克勞修斯做了大量的工作，試圖找到壹種可以接受的證明方法來解釋這兩個原理(當時稱為原理)，並多次用通俗的語言宣講。就這樣，直到1860左右，能量原理才被普遍認可。
定律的準確表達——能量轉化和守恒定律(1875 ~ 1909)
1860年後，能量定律“很快成為所有自然科學的基石。尤其是物理學，每壹個新理論都要先檢驗它是否符合能量守恒原理。”然而，在此之前，該原理的發現者只專註於從量的守恒中總結定律的名稱，而沒有強調運動的變換比。原理到底是什麽時候總結成“能量轉換和守恒定律”的？問題的答案可以從恩格斯在《反都靈》中的論述中得到。
恩格斯說:“如果說十年前新發現的偉大的運動基本定律只是被概括為能量守恒定律，只是被概括為運動是不朽的這種表述，即只是從量的方面來概括，那麽這種狹隘的、消極的表述越來越多地被關於能量轉化的積極表述所取代，其中過程的定性內容第壹次獲得了自己的權利。..... "恩格斯在1885發表了這段話。他說，十年前的負面表達越來越被正面表達所取代。由此判斷，“能量轉化與守恒定律”的準確而完善的表述，應該是在1875或者更晚的時候形成的。
到目前為止，似乎所有關於法律的問題都解決了。其實並不是。
我們知道，直到20世紀初，熱力學中壹個重要的基本概念——熱仍然是在18世紀被定義的，而且這個定義是建立在熱量論的基礎上的。換句話說，熱力學大廈的基石之壹仍然不穩定。因此，在1909中，C. Carathieodory重新定義了內能:“任何物體或物體系統在平衡態都有壹個狀態函數U，稱為其內能。當這個物體經歷壹個從第壹狀態到第二狀態的絕熱過程時，它的內能增加等於外界在這個過程中所做的功W。”
U2-U1=W (8)
這樣定義的內能與熱無關，只與機械能和電磁能有關。在此基礎上，熱可以反過來定義:
Q=U2-U1-W (9)
直到這個時候，熱力學第壹定律(能量轉化和守恒定律)、第二定律以及整個熱力學理論才與熱量論徹底決裂。
縱觀全文，可以看出“能量轉化和守恒定律”的三種表述，反映了人類認識這壹自然規律的歷程。這三種表述，每壹種都比另壹種更深刻，更接近客觀真實。人類就是這樣壹步步認識物質世界的。
轉載自作者:王曉勇
[編輯此段]能量守恒定律的檢驗
任何物理定律都需要經過嚴格反復的檢驗，尤其是在特征場發現的定律移植到其他相關領域時，經常會發生定律被打破的情況，比如宇稱守恒定律在弱相互作用和電磁相互作用中被實驗打破。這是不以人的意誌為轉移的。即使是被人類社會廣泛認可的法律，在沒有經過嚴格檢驗的領域也不能被認為是正確的。
焦耳在研究機械能和熱能的基礎上提出了能量守恒定律。當時科學界對電磁相互作用並不了解，所以能量守恒定律並沒有在電磁相互作用下得到檢驗。我們知道電磁能總體上符合能量守恒定律，但也不能排除特殊情況下的例外。比如宇稱守恒定律，在壹般的電磁相互作用中已經被證明是正確的，但是後來發現在Anapole的特殊結構中是不正確的。由於電磁結構的多樣性和復雜性，物理規律的測試非常困難，導致測試漫長而無止境。
我們可以說能量守恒定律在現有的知識領域是正確的，但如果在任何領域、任何情況下都是永遠正確的，那就不是科學研究者的態度了。