浅谈人体中的能量转化

摘要：本文结合能量概念和能量守恒定律，讨论了人体生命现象中的能量转化等问题。主要内容包括能量形式的多样性、能量守恒定律的重要意义、人体中的能量转化、体温和体温调节等。

关键词：能量守恒定律 能量代谢 体温调节 医用物理 教学研究

一、能量形式的多样性

自然界的任何过程，包括人类的生产活动和人体的生命活动都离不开能量。弄清楚能量概念，掌握能量守恒定律，对指导人们的生活、工作和学习，都具有重要而普遍的意义。在国际单位制中，能量的单位是焦（J）；在研究微观粒子时，也常用电子伏（eV）为能量的单位，。能量通常以机械能、内能、电能、原子能和化学能等多种形式出现在不同的运动中，并通过作功或传热等方式进行转化或转移。人体生命活动中的能量主要来源于摄入食物的氧化分解。

机械能包括动能和势能（重力势能、弹性势能）。动能的变化通过机械功，按动能定理与势能、内能、电能等其他形式能量进行相互转化。

内能是由系统内部状态所决定的能。一般地说，系统是由大量分子、原子组成的，系统的内能是全部微观粒子的各种能量总和（包括系统中所有粒子的动能、势能、化学能、电离能、核能等）。由于在系统所经历的热力学过程中，物质原子和原子核的结构一般都不发生变化，即这一部分能量保持不变，可作为常量从中扣除。从微观角度来看，系统的内能一般包括因分子热运动所具有的分子的动能和因分子间相互作用而决定的分子的势能。通常，就把系统中所有分子的动能和分子的势能总和，称作系统的内能。从宏观角度来看，人们更加关注在系统的能量转化和转移的热力学过程中，系统的内能究竟发生了多大的变化。作功和传热是改变物体内能的两种方式。在能量转化和转移过程中，内能的变化、功和热量三者之间必须符合能量守恒定律。

电势能是指电荷因受静电力作用和在静电场中的位置不同而具有的能量。电势能的变化与电场力的功相联系。在电路中，电流作功时，电能与其他形式的能相互转化。通常情况下，电流或带电体所携带的电能，可以用导线来传输，且易于转化为其他形式的能。实际应用中，电能要由电源来提供。电源是将其他形式的能转变为电能的装置。电源提供的电能必须通过非静电力对电荷作功的方式从其他形式的能转化而来。例如，发电机把机械能转化为电能；干电池是把化学能转化为电能；太阳能电池则是把太阳能直接转化为电能。

化学能是物质在发生化学反应过程中所释放出的能量（如汽油、煤炭、木头，通过燃烧过程释放的能量），营养物质在人体内发生的生物化学过程也会释放出化学能。在化学反应过程中，原物质的分子发生变化，重新组合生成新的化学物质，将引起化学能的变化，并伴随着放热或吸热现象的发生。

原子能（也称原子核能或核结合能）是原子核内部发生运动变化时释放出的能量。如重核裂变和轻核聚变时会释放出巨大的能量，这是人类寻找新能源的主要途径。放射性核素在衰变过程中所放出的射线（主要指其中的γ射线），在医学诊断和治疗技术中具有广泛的应用，这也是原子能应用的一个重要方面。

1905年，爱因斯坦在狭义相对论中提出了著名的质能公式E=mc2。爱因斯坦的质能公式对指导人类最终解决新能源问题具有重要意义。质能公式（也称质能关系）在能量和质量之间建立了当量关系，能量概念因此增添了新的涵义。质能公式将原来似乎互不相干的质量守恒和能量守恒实现了统一。

尽管在2011年3月11日发生了日本大地震和海啸，并因此导致核泄漏，引起了人们的恐慌，但这决不会阻挡人类探索原子能和平利用的步伐。

二、能量守恒定律的重要意义

无论以什么方式，能量既不会创生，也不会消灭，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律。

恩格斯认为，“人们只是在学会了摩擦取火以后，才第一次迫使某种无生命的自然力替自己服务”。热现象是人类最早观察和认识的自然现象之一，也是人们用以征服大自然和改造世界最早、最强有力的手段。

从18世纪末到20世纪40年代，有6个国家的10多位科学家从不同角度独立地提出了能量守恒的观点。例如，德国物理学家、医生迈尔、英国物理学家焦耳等人对此都作出了重要贡献。毫无疑问，能量概念和能量守恒定律是自然界中最重要的概念和规律。能量守恒定律的发现，是科学发展史上的一个重要的里程碑。恩格斯把它和细胞的发现及达尔文的进化论一起，称为是19世纪自然科学的具有决定意义的三大发现。自然界中的一切现象通过能量守恒定律相互联系起来。能量守恒定律的确立，标志着人们已经从各种局部规律的探索，上升到能够把握形式多样的能量转化和传递过程的共同特征。物质的不同运动形式及其相互转化是物质世界固有的特征，永远不会停息。能量守恒不仅具有数量上的意义，并且指明了物质运动的不灭性和永恒性。

在历史上，曾有人幻想制造出这样一种机器，它只对外作功而不消耗任何能量，人们称这种机器为“第一类永动机”。所有这样的幻想最终都必定要破灭，原因就是它违背了能量守恒定律。科学已经定论，“第一类永动机不存在”。这是科学对“永动机”的最终的宣判。但是，目前世界上仍然还有人在继续着永动机的幻想和实践，这样的人主要有两类：一类是痴迷者，不懂科学非要造永动机，当然永远造不成；另一类则是纯粹的骗子，都是为了骗钱而耍弄花招。

三、人体中的能量转化

自然界的一切过程都必须遵从能量守恒定律，人体的生命过程当然也不例外。人体生命系统是一个开放系统，它不断地与外界进行物质交换（从外界摄取食物、水和氧气，并排出废物）和能量交换（如对外作功，对外散热）。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，经过长期进化人类把自身的体温约束在37℃左右。为了维持生命活动，人体需要保持正常的体温，需要保证各个器官正常的活动和组织的代谢。人体从外界吸纳的食物、水和氧，在体内经过复杂的生物化学过程，转变成营养物质和内能。一部分用作人体生命活动所必须的能量和保持体温，一部分用于对外作功和散热。

恩格斯指出，热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。太阳不断地向地球喷发光和热，这样地球上的植物才能进行光合作用，合成出各种有机物。据估算，地球上的绿色植物每天可以产生大约4亿吨的蛋白质、碳水化合物和脂肪，同时还向空气中释放近5亿吨的氧气，这是了人类和动物生存的物质来源。这就是“万物生长靠太阳”的科学根据。

能量代谢（也称新陈代谢），是指人体在生存过程中，不断地摄取营养物质，以建造自身的特殊结构，同时又不断地破坏自身已衰老的结构。人体内的物质代谢过程，根据其性质可分为异化和同化两个方面。异化是指在机体内，蛋白质、脂肪、糖等物质经过极其复杂的氧化分解，生成水和二氧化碳的过程（也称分解代谢）；同化是指在机体内，简单的物质分子在体内合成为蛋白质、脂肪、糖等复杂物质的过程（也称合成代谢）。由氨基酸合成蛋白质就是同化过程。同化过程是储存能量的过程，异化过程是释放能量的过程。异化过程中释放的能量通过机体的利用转化为功和热。

在人体内，物质代谢和能量转化是不可分割的。人体经过消化系统吸收的营养物质和储存的能量，通过氧化过程释放出来。通常把人体内的物质代谢过程中能量的释放和储存、转化和利用，以及以热量形式向外发散的过程，称为能量代谢。所谓基础代谢，是指人体处于清醒、平静，并尽可能排除肌肉活动、精神紧张及环境温度等因素影响的状态下，能量的消耗只用于维持心跳、呼吸、和维持正常体温等其他一些基本的生理活动的需要。在这种状态下人体的代谢率较低且稳定，这称为基础代谢。

人体无论是在静息状态下，还是在活动中，都会连续不断地将营养物质的化学能转变为人体组织所必须的各种能量，这就是分解代谢。分解代谢的能量一部分用于向体外放热，一部分用于对外作功。人体在完全休息时，内能的消耗率约为80瓦，人在作剧烈活动时能量的消耗率可达600瓦到1600瓦。这些消耗必须靠吃进食物来补偿，以保证人体的能量平衡。根据能量守恒定律，人体摄入的能量与消耗的能量应当经常保持相对的平衡。如果摄入的多而消耗的少，人的体重就会增大，时间久了就会引起肥胖。如果摄入的少而消耗的多，时间久了就会导致消瘦、体重减轻，甚至会因营养不良而有害健康。

环境温度过低或过高也会使代谢率增加。这是因为当环境温度过低时，人体辐射的热量多，代谢率增大以加快体内生热；当环境温度偏高时，辐射的热量较少，为保持正常的体温，人体要以出汗蒸发、加快呼吸等方式来散热，这也会使代谢率增加。

人体生命系统是一个开放系统，它不断地与外界进行物质交换（从外界摄取食物、水和氧气，并排出废物）和能量交换（如对外作功和散热等）。为了维持生命，人体需要保证各个器官的正常活动与组织代谢，需要保持正常体温。因此，人体必须从食物中获得能量。人体从外界吸纳的食物、水和氧，在体内经过复杂的生化过程，转化为营养物质和内能，一部分用于人体生命活动的需要，一部分用于保持体温、对外作功和散热。根据能量守恒定律，人体摄入的能量与消耗的能量应当经常保持相对的平衡。如果摄入的少而消耗的多，时间久了就会导致消瘦、体重减轻，甚至因营养不良而有害健康。如果摄入的多而消耗的少，人的体重就会增加，时间久了就会引起肥胖。

四、体温和体温调节

体温即机体的温度，通常指身体深部的温度。对人来说，维持正常体温是一件很重要的事情。人类在长期进化过程中形成了比较高级的体温调节功能。体温调节的方式有行为性体温调节和自主性体温调节两类：一是行为性体温调节：例如，人在严寒中踏步、跑动以御寒，即属此种调节。人们能根据环境温度不同而增减衣着，创设人工气候环境以祛暑御寒，则可视作更为高级而复杂的行为调节；一是自主性体温调节。例如，寒颤、发汗、血管舒缩等，以保持体温相对恒定的调节过程。

机体在进行新陈代谢的过程中，会不断地产生热量，同时又不断地把热量发散出去。

产热过程，是机体在代谢过程中释放能量。其中约有20%～25%用于作功，其余都以热能形式散发出去。产热最多的器官是内脏（尤其是肝脏）和骨骼肌。因热能来自物质代谢的化学反应，所以产热过程又称化学性体温调节。

散热过程，体表皮肤可通过辐射、传导、对流和蒸发等物理方式散热，所以散热过程又称物理性体温调节。辐射、传导、对流这三种方式发散的热量约占总散热量的75%，其中以辐射散热最多，占总散热量的60%，散热的速度主要取决于皮肤与环境之间的温度差。

蒸发也是很有效的散热方式。当环境温度与皮肤温度接近或相等时，人体主要以蒸发方式来散热。蒸发时，每克水可吸收2.42千焦的汽化热。常温下体内的水分经机体表层透出而蒸发，称为无感蒸发（其量每天约为1000毫升）。一般在环境气温升到25～30℃时，汗腺即开始分泌汗液（出汗），称为可感蒸发。环境气温等于或高于体温时，汗和水分的蒸发即成为主要的散热方式。

体温的稳定取决于机体产热过程和散热过程的动态平衡。如产热量大于散热量时，体温将升高；反之，则降低。由于机体的活动和环境温度的经常变动，产热过程和散热过程间的平衡也就不断地被打破，经过自主性的反馈调节又可达到新的平衡。这种动态平衡使人体体温波动于较狭小的正常范围内，保持着体温相对的稳定。

临床上一般采用从腋窝、口腔或从直肠内测量体温。正常人体的直肠温度平均约为37.3℃，接近于体内深部的温度；口腔温平均约为37.0℃；腋窝温平均约为36.7℃。正常生理情况下，体温可随昼夜、年龄、性别、活动情况不同而有一定的波动。一昼夜中，清晨2～4时体温最低，午后4～6时最高，变动幅度不超过1℃。这种近日节律并不因生活习惯的变动而改变，它很可能与地球的自转周期有关。婴儿的体温调节机能尚未完善，可受环境温度、活动情况或疾病的影响而发生较大的波动。新生儿的体温略高于成年人，老年人则稍低于成年人。在酷热或严寒环境中暴露数小时，体温可上升或下降1℃～2℃。

体温调节中枢主要在下丘脑。切除下丘脑以上的前脑的动物即“下丘脑动物”，仍能保持接近正常的体温调节功能。而切除中脑以上的全部前脑（包括下丘脑）的动物则不能保持体温的相对稳定。传统生理学认为，在下丘脑前部存在着散热中枢，而下丘脑后部则存在着产热中枢。两个中枢之间有着交互抑制的关系，从而保持了体温的相对稳定。在下丘脑前部还存在着发汗中枢。下丘脑后部内侧区存在着寒颤中枢，它对血液温度变化并不敏感，但对来自皮肤冷觉感受器的传入信息比较敏感。体温的行为调节也受下丘脑的控制，而体温调节中枢对体内外温度变化的反应，则取决于大脑对来自外周和中枢的多种温度觉信息整合的结果。体温的自主性调节主要通过反射来实现，环境温度或机体活动的改变将引起体表温度或深部血温的变动，从而刺激了外周或中枢的温度感受器。温度感受器的传入冲动经过下丘脑整合后，中枢便发出冲动（或引起垂体释放激素），使内分泌腺、内脏、骨骼肌、皮肤血管和汗腺等效应器的活动发生改变，调整了机体的产热过程和散热过程，从而可以保持体温的相对稳定。

人体对环境温度改变所产生的自主性体温调节是很有限的，更多的是行为性调节。环境温度过低或过高都将导致代谢率增加。这是因为当环境温度过低时，人体辐射的热量多，代谢率增大以加快体内生热；当环境温度较高时，辐射的热量较少，为保持正常的体温，人体就要以出汗蒸发、加快呼吸等方式来散热，这也会使代谢率增加。对人体来说，维持正常体温是一件很重要的事情。身材尺寸大，有利于保温，这是因为相对体表面积比较小。有人估计，3000老鼠的体重相当于一个成人的体重，而3000只老鼠吃掉的食物大约是一个人的10倍，其中的主要部分就是用于保持体温。