能量的六种基本类型（如虚如实说能量与能量转换之热能）

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我们都听说过“马力”

但你知道这个词是从哪里来的吗？

在古代，人们用人力或畜力搬运重物，用风力或水力驱动磨盘，没有谁想到要测量力的大小。

詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）改进了蒸汽机（参见《广东科学中心「如虚如实说」| 能量与能量转换之热能（一）》），从此人们开始用机器来代替人力和畜力。一台蒸汽机能代替多少人力或畜力呢？1702年，瓦特做了一些实验。他发现一匹在矿山拉矿石的驴子每分钟能把220英镑（99.79公斤）的矿石拉100英尺（30.48米），也就是说驴子的能力为22000英尺-英镑/分钟。

瓦特觉得“驴力”不如“马力”，他认为马比驴子能多出50%的力，所以就把1马力定为33000英尺-英镑/分钟。接着，他用实验证明了自己的蒸汽机能顶10-12匹马。这使他的蒸汽机更加热卖。不过瓦特的测量并不准确。首先，驴子体型虽然比马小，但是拉东西的能力只比马小10%左右。其次，在短时间内（几分钟内），一匹马的能力可达14马力，一个成年男人的能力可达4马力。蒸汽机技术发展飞快，到瓦特辞世的时候，他的蒸汽机已经能达到100马力。

图1，瓦特的马力测量

马力度量的出力能力，即功率。它的度量单位与其他的度量单位没有整数关系。1875年公制度量系统（International System of Units，简称SI Unit）开始普及。这个系统的基本单位有四个：

• 时间（秒，s）；
• 长度（米，m）；
• 质量（千克，kg）；
• 温度（开尔文，°K）。

为了统一起见，公制系统把功率的度量单位定为瓦（W），以纪念詹姆斯·瓦特。1瓦（W）=1焦耳/秒（J/S）。焦耳是能量的单位，1焦耳=1牛顿·米/秒(N·m/s)。1牛顿=1米/秒²（m/s²）。这样“瓦”就可以用公制系统的基本单位来定义了。瓦也用于度量电能：1瓦（W）=1伏特·安培（V·A）。

另外，1马力=746瓦。

蒸汽机很快就催生了蒸汽机汽车。1769年，法国工程师尼古拉斯·居纽（Nicolas Cugnot，1725-1804）首先设计并做出了一台蒸汽机汽车。不过，当时既无车路，又无安全措施，他的车撞了几次，最后无人问津。今天居纽还是被尊为汽车的发明人。

图2，世界上第一台汽车

后来英国、法国、德国和美国都有人制作蒸汽汽车，但都没有获得成功。这主要是因为燃煤的蒸汽机太大、太重，而且汽车至少需要两个人操纵（一个人烧锅炉，一个人驾驶）。此后，人们用同样的原理改为制作火车。1825年，第一部蒸汽火车在英国面世。1828年蒸汽火车传到了美国。在后来的数十年间，火车遍及了全世界。

然而与火车相比，汽车不需要铁轨，更加灵活、便捷。因此，人们一直没有放弃研发汽车。1888年，第一辆实用的汽车终于面世了。卡尔·本茨（Carl Benz，1844-1929）的3号汽车成功上路。卡尔的太太玛莎驾车带着他们的两个儿子用了12小时57分钟完成了104公里的旅程。本茨也是奔驰公司（Mercedes-Benz）的创始人之一。

图3，本茨的3号汽车

人们都知道奔驰是豪华汽车。其实奔驰也是汽车技术的发明者。奔驰用的技术就是内燃机了。

内燃机的关键是“内燃”，内燃首先需要有油。最早使用石油是我们中国人，早在公元前600年中国就有使用石油的记录。公元347年开始钻井取油。宋代沈括（1031—1095）撰写了一部中国古代科技类百科全书《梦溪笔谈》，其中特别讲到延安地区的石油，并预测“此物后必大行于世”。

1846年加拿大人亚伯拉罕·季斯纳（Abraham Gesner，1797—1864）从油页岩中提取出了柴油（kerosene），他还成立了一个柴油照明公司。1859年美国人艾德温·德雷克(Edwin Drake,1819—1880) 上校钻出了第一口油井。1865年石油大亨约翰·洛克菲勒（John D. Rockefeller）建立了标准石油公司（Standard Oil），并逐渐控制了美国90%的石油生产。

从柴油提炼出来的汽油（gasoline）与空气混合（油气），在室温下遇火就会燃烧爆炸（参见《「如虚如实说」| 能量与能量转换之热能（二）》），从而在瞬间产生很大的力。内燃机用的就是这个原理。内燃机的一个工作周期分4步：

1. 曲轴顺时针旋转，带动活塞下行，油气注入气缸；
2. 曲轴继续运动，带动活塞上行，压缩气缸中的油气；
3. 火花塞点火，气缸中的油气燃烧爆炸，推动活塞下行，带动曲轴运动；
4. 曲轴继续运动，带动活塞上行，排出废气。

图4，内燃机工作原理

今天大多数汽车都是内燃机驱动的。一台4气缸内燃机，通常其转速为8000转/分钟，功率可达到205000瓦（205千瓦、275马力）。

图5，4缸内燃机剖视图

火车、轮船用的也是内燃机。世界上最大的内燃机是我国中船公司旗下的合资公司温特图尔发动机有限公司制造的，有五层楼高，功率为63840000000瓦。

图6，我国中船公司制造的世界上最大的内燃机

内燃机驱动世界上无数的车和船，为人们带来了现代生活，但也导致空气污染。柴油内燃机排出的废气中有7%是二氧化碳，汽油内燃机排出的废气中有13%是二氧化碳。世界上几亿辆汽车、几百万艘船，排放出了数以亿吨计的二氧化碳，导致了温室效应，使得全球气候变暖（参见《「如虚如实说」| 温度四讲之二：地球的温度》）。

图7，内燃机与电池技术的能量密度与储能时间比较

我们是不是一定要用内燃机呢？近年来，随着电池技术的进步，电动汽车备受关注。图8可以看出，以能量密度（瓦小时/千克，Wh/kg）来计算，内燃机（Combustion engine）比各种电池（Batteries）和电容器（Capacitor）都要高。此外，电池虽然能够储存较大的能量（目前的最高值为160瓦时/千克），但需要很长的时间充电。电容器可以很快地充电，但能储存的能量较小。因此内燃机还是最有竞争力的技术。

要解决全球气候变暖问题还需要开发出更好的技术。

撰文：杜如虚（加拿大工程院院士）

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来源：广州科普

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