氢能爬坡速度（能源超限战连载五）

（思进注：近日，因俄乌之战，能源问题几乎每天刷屏，各类分析更是众说纷纭，注意到有些分析是事实的陈述、逻辑自洽；不过，好些判断则可能失之偏颇。恰好在近10年前由我策划，和庞忠甲先生合著的《能源超限战》（2016年06月01日出版）分析了能源问题的方方面面，特别是结论点出：“人与动物的差别不在于对工具的利用，更在于对能源的利用。一直以来，能源危机之说虚虚实实。石油和矿物燃料告罄有日，而新能源尤其是非常规油气资源的发展，却使得当代能源危机成为一个伪命题”……现在看来毫不过时，那就从07月06日开始，特选摘其中部分内容，和大家分享……）

万物运动之本：“能”的本质、形式和转化

（接上）德国物理学家，諾貝爾物理獎获得者麦克斯·冯·劳厄（Max von Laue，1879— 1960）在《物理学史》中还指出了汤姆逊所下定义的一个缺陷，即“使用了一个任意选定的状态作为能量的零点”。这个缺陷需要用后来爱因斯坦的质能关系学说支持的能量惯性原理弥补。

看来，正如荷兰物理学家克莱默斯（Hendrik Anthony Kramers，1894–1952）所说：“在物理科学中，最重要和最富有的成果的是那些不可能给予确切意义的概念。”确实很难给“能”的概念下一个简单的一般定义。

我们不想在这里越说越远了。实际上，在社会经济的实用领域，只能也只要从作功能力和热功转化的角度解释能量的意义，大体已经够用。

一般在常用语中或在科普读物中，能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油含12千瓦小时能量的话，那么是指假如将1千克的汽油中的化学能全部释放出来的话可以做12千瓦小时的功。

能量守恒定律尽管并没有严格证明，但如今被人们普遍认同。意即能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。

自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等。不同形式的能量之间可以相互转化。例如：摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能；或电流通过电磁感应装置驱动电动机转化为机械功等等。

工业革命以来，人类利用大自然蕴藏的燃料资源形成强大生产力和服务社会的主要途径，是从燃料燃烧获得热能或转化为机械功。

其中难度极大的是后者，即如何将燃料的热能转化机械功。蒸汽机的发明，是解决这一难题的革命性重大突破，因而成为工业革命勃兴的起点和技术核心。

迄今为止，热功转化的主要方法还是将燃料燃烧产生的热能，通过加热水进而利用水蒸气膨胀作用（汽轮机）或者直接利用燃气的膨胀力（内燃机和燃气轮机）驱动机械做功；然后利用机械功驱动发电机产生电力，或直接驱动工作机械如机床或车辆。

那么热与功之间究竟存在什么关系呢？

历史上对热的认识，曾有两种对立的观点。十八世纪流行过热质说，把热看成是一种不生不灭的流质，以为物体含有的热质多，就具有较高的温度。与此相对立的是后来证实了的把热看成一种物质分子运动形式的观点。

很早人们就知道摩擦做功可以使物体的温度增高；有学者发现轮子摩擦散热和马做功一定有确定的比例，在改变物体的内能上，做功和热传递具有相同的效果。于是物理学家就猜想热和功之间具有一定的数量关系。当时功的单位是焦耳（J，牛·米），热量的单位是卡（Cal），人们就想知道焦耳和卡之间有怎样的换算关系。

英国科学家詹姆士.焦耳认为不存在热质，相信热是能的一种形式。他花了四十年时间，做了四百多次实验，测出热功当量为4.18J/Cal，确立了建立能量转化与守恒定律的实验基础。

现在，国际单位制（SI) 中，确定能量的单位为焦耳，热功当量已失去存在意义。但人们在一些领域里会习惯于使用其他单位如千瓦·小时（KWH）和千卡（Kcal），这些也是功的单位。

时至今日，“能源”领域的核心问题，仍是燃料来源及其热功转化，如果缺乏热力学方面的规律性常识，不仅无法明了其所以然，甚至对于像“热效率”这样的基本概念也理解不了，而且很容易陷入种种荒唐的误区。

热力学有三大定律。第一定律就是能量守恒定律：物质内能增加等于外界做功加上吸收的热量。

如果我们需要考虑的仅仅是热力学第一定律，比如我们烧掉一块煤，它的能量并没有消失，那我们滥用那万世不竭的能源也就无所顾虑了。然而我们知道实情并非如此简单，煤燃烧后，转化为二氧化碳和其他气体以及灰分，虽然燃烧过程中能量并没有消失，但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。

热力学第二定律解释了这个现象。 它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的“熵”（Entropy，源自希腊文“内在的变动”）。（待续）

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