▎爆炸和能量

当处于存储状态的大量能量，突然在有限的空间中转化为热时，爆炸就发生了，对手榴弹、原子弹，或者撞击地球的小行星来说都是如此。爆炸释放的热使物质汽化，成为温度极高的气体。这样的气体具有巨大的压力——也就是说，它给周围所有物质都施加了很大的力。没有东西能抵御如此强大的力，所以气体能迅速膨胀并把所有邻近的物体都推开。在爆炸中真正带来伤害的是飞散的碎片。在这里，能量的最初形式并没有严格的限制，它可以是动能（由运动产生），就像小行星携带的能量，或者化学能，就像三硝基甲苯（TNT）所蕴含的能量。从能量到热的快速转化，才是大部分爆炸的真正原理。

你可能已经注意到了，我在上一段使用了很多术语，但是我并没有解释它们。诸如“能量”和“热”这样有其日常的含义的词，在物理学中，它们也有各自确切的含义。物理学可以像几何学那样，借助演绎推理获得知识，但是用这种方法学习会有点困难。所以我们先从最直观的定义开始，随着对物理的逐步深入，再让这些定义变得更准确。下面有一些你可能会觉得很有用的初始定义，它们的确切含义会在接下来的三章中逐渐清晰。

定义（不必记住）

• 能量是一种做功的能力。功（work）的大小有明确的计算方法，即力的大小乘力在其作用方向上移动的距离。能量的另一种定义：任何能被转化成热的东西。[1]
• 热是一种能够令物质温度升高的东西，这个变化可以被温度计测量到。（事实上，在微观层面热是由分子振动产生的动能。）

这些定义对专业物理学家来说挺适用的，但是在你看来可能有些神秘，而且帮助不大，因为它们含有你可能无法准确理解的其他概念（功、力、动能）。我会在接下来解释这些概念。事实上，单凭定义理解能量的概念非常难，就像通过背字典来学一门外语。所以，耐心一点，我会告诉你很多例子，帮助你慢慢切入主题。

我的建议是，与其慢慢阅读，不如快速浏览本章。你要通过重复浏览来学习物理，也就是反复重温相同的内容。每次回顾，你对这些内容的理解都会更进一步。这也是学外语的最佳方法——完全沉浸法。所以，不要急于理解所有东西，只要保持阅读就好。

能量的大小

猜一猜：1磅爆炸物（比如黑色炸药或TNT）和1磅巧克力薄片曲奇相比，谁含有的能量更大呢？先别往下读，猜猜看。

答案是：巧克力薄片曲奇的能量更大。不仅如此，两者的差距还很大——曲奇饼干中含有的能量是TNT的8倍！这个事实让绝大多数人都感到震惊，甚至包括很多物理学教授。你可以试试向你学物理的朋友提出这个问题。

怎么会这样呢？TNT炸药之所以这么出名，不就是因为它能释放很多能量吗？我们稍后再来解释。首先，我们要列出几种物质的能量，还有很多惊喜等着我们。

为了方便对比，我们来看看就几种不同的物质来说，1克物质蕴含着多少能量。（1克是1立方厘米水的重量，1便士硬币的重量是3克，1磅是454克。）我会用几种不同的单位来衡量能量：大卡、卡路里、瓦·时以及千瓦·时。

卡路里

上面提到的单位，你最熟悉的可能就是大卡（Cal）了。它就是节食减肥中著名的“食物卡路里”，出现在食品包装袋上。一片巧克力薄片（只是薄片，不是整块饼干）约含有3大卡能量。一听可口可乐大约含有150大卡的能量。

注意：如果你学过物理化学，就可能接触过卡路里（calorie）这个单位。它又叫“小卡”，和大卡可是不同的！食物中的1大卡等于物理中的1000个卡路里。这是个很糟糕的惯例用法，但不能赖我。物理学家喜欢把衡量食物热量的卡路里称为“千卡”。欧洲、亚洲的食品标签上经常标有千卡，但是美国不一样。所以1大卡=1000卡=1千卡。[2]

千瓦·时

另一个著名的能量单位就是千瓦·时，缩写为kW·h。W之所以要大写，有人说是因为它代表詹姆斯·瓦特的姓，但这无法解释我们为什么不在“千瓦”（kilowatt）中大写W。这个单位之所以耳熟能详，是因为我们从电力公司买电的单位就是kW·h（也叫度）。这就是你家电表测量的单位。美国电价1千瓦·时的价格是5—25美分[3]，根据你居住地点的不同而上下浮动。（电价的差异要比油价大得多。）这里我们假设平均价格为每千瓦·时等于10美分。

你可能不感到意外的是，还有一个更小的单位叫作“瓦·时”，缩写为W·h。1千瓦·时=1000瓦·时。这个单位并不常用，因为它实在太小了，我的笔记本电池标注的容量是60瓦·时。这个单位的主要价值在于，1瓦·时约等于1大卡。[4]所以为了方便学习，我们必须知道：

1瓦·时（W·h）≈1大卡

1千瓦·时（kW·h）≈1000大卡

焦耳

物理学家喜欢使用焦耳（J，简称焦）这个能量单位（以詹姆斯·焦耳命名），因为这会让他们的等式看起来更简单。1大卡约有4200焦耳，1瓦·时约有3600焦耳，1千瓦·时中约有360万焦耳。

表1.1显示了各种不同物质的近似能量值。你可能会发现这张表是整本书中最有意思的表之一。里面到处是惊喜，而最有趣的是最右侧的一列。

仔细思考一下这张能量表，集中注意力观察最右边一列。寻找一下让你吃惊的数据。你能找到多少？把它们划出来。我认为以下事实都很令人震惊：

巧克力薄片曲奇含有超多的能量

电池所含的能量非常少（和汽油相比）

流星的能量很高（和子弹或TNT相比）

铀-235中含有非常巨大的能量（和表中所有其他物质相比）

试着考考你的朋友，看看他们知道多少。就连大多数物理学专业的学生都会大跌眼镜。这些惊人之处和表中的其他特征值得我们好好讨论一下，对于人类能源的未来而言，这些结论将会影响深远。

关于能量表的讨论

我们先来看看能量表中那些更重要，也更令人感到吃惊的事实，仔细地讨论一下。

TNT VS 巧克力薄片曲奇

TNT和巧克力薄片曲奇的能量都储存在原子之间的力中，这就像把能量储存在压缩弹簧中一样——很快我们就会更详细地讨论原子。一些人愿意把这种能量称为化学能，但是这样的区分并不十分重要。当TNT爆炸时，力会以非常大的速度把原子彼此推离，就像松开后的弹簧会突然伸长一样。

能量表中最惊人的事实之一就是巧克力薄片曲奇拥有相同重量TNT炸药8倍的能量。这怎么可能呢？如果要炸掉一栋大楼，我们为什么不能用巧克力薄片曲奇来取代TNT？所有没研究过这个课题的人几乎都（错误地）认为TNT释放的能量要比曲奇大得多，其中也包括大部分物理学专业人士。

在以破坏为目的的活动中，TNT之所以如此有效，是因为它能以极快的速度释放能量（把能量转化为热）。由此而来的热量如此之大，以至于TNT变成了迅速扩张的气体，推动并粉碎了其周围的物体。（我们将在下一章详细讨论关于力和压力的概念。）1克TNT释放其所有能量的时长一般大约为百万分之一秒。如此突然的能量释放可以打碎很坚固的物质。[5]这就是功率问题了。巧克力薄片曲奇含有的能量很多，而TNT发挥作用时的功率很高。功率就是能量释放的速率，我们稍后将详细讨论。

虽然巧克力薄片曲奇含有的能量比相同重量的TNT要多，但它的能量通常释放得更加缓慢，需要借助一系列我们称为新陈代谢（metabolism）的化学过程。这种过程需要人体消化作用中不同的化学变化来完成，比如把食物和胃里的酸混合，再和肠道中的酶混合。最后，被消化的食物和肺带来的氧气发生反应产生能量，并存储在红细胞中。与之相比，TNT包含了爆炸所需的所有分子；它不需要混合，只要有一部分TNT开始爆炸，剩下的也会被触发。如果你想要毁掉一座建筑，你可以用TNT。或者你还可以雇来一帮半大孩子，给他们几把大锤子，并且喂他们吃曲奇。鉴于巧克力薄片曲奇中的能量超过了同等重量的TNT，每1克巧克力薄片曲奇造成的破坏合起来，最终会超过TNT。

注意到了吗？我在这里耍了个小花招。当我们说每1克巧克力薄片曲奇中含有5大卡能量时，忽略了与它混合的空气的重量。TNT中含有爆炸所需的所有化学物质，而巧克力薄片曲奇却要与空气混合。虽然空气是“免费”的（你买曲奇的时候不需要买空气），但是每克巧克力薄片曲奇之所以包含了如此大的能量，就是因为我们没把空气的重量算进去。如果要加入空气的重量，每克巧克力薄片曲奇产生的能量将会降低到只有2.5大卡/克，但这仍然是TNT炸药的能量的4倍。

汽油的能量意外地高

如表1.1所示，每克汽油所含的能量明显高于曲奇、黄油、酒精或煤炭。这也是汽油能成为宝贵燃料的原因。当我们为汽车寻找替代燃料时，这个事实尤为重要。

汽油通过与氧气结合来释放能量（转化为热），所以它必须与空气充分混合。在一辆汽车中，这一过程是由一个名为喷油器的特殊装置完成的；老一点的车用的是化油器。燃烧发生在一个筒形腔中，它被恰当地称为汽缸。燃烧释放的能量把活塞沿着中心线向下推，这就是推动汽车车轮的动力。内“燃”机也可以被看成一台内“爆”机。[6]车内的消声器的作用就是确保车里的爆炸声能够减弱，不至于危害人体。有些人喜欢把消声器拿掉——特别是一些摩托车手——让完整的爆炸声漏出来，这会让人产生动力更强劲的错觉。去掉消声器，也会降低发动机外部的压力，所以施加在车轮上的动力实际上增加了，但是并没有增加多少。在下一章中我们将详细讨论汽油发动机（汽油机）。

汽油之所以如此受欢迎，最根本的物理上的原因就在于它每克重量中所蕴含的高能量。另外一个原因在于，汽油燃烧后的残留物都是气体（大部分是二氧化碳和水蒸气），所以没有需要清除的残留物。相比之下，包括煤在内的大部分燃料都会留下灰碴。

电池的能量低得让人意外

电池也是以化学形式储存能量的。它可以利用自己的能量把电子从原子中释放出来。电子能沿着金属线把能量传递到其他地方；你可以把电线看做电子的“管线”。电能的最大好处是它可以轻松地通过电线运输，并通过电动机转化成动能。

一块汽车电池承载的能量是同等重量汽油的1/340！甚至，一块昂贵的计算机电池也只有汽油1/100的能量。大多数汽车之所以选择汽油而非电池作为能量来源，就是出于这些物理上的原因。电池之所以能用来启动发动机，是因为它工作起来既稳定又快捷。

电动汽车

一般的汽车电池又称为铅酸电池，因为它利用了铅和硫酸的化学反应来产生电。表1.1显示，这类电池所容纳的能量是汽油的1/340。但是，电池提供的电能是非常方便的。电能转化为车轮能量的效率高达85%，换句话说，只有15%的能量耗费在运行电动机上。汽油机则糟糕得多，汽油的能量只有20%用在了车轮上，剩下的80%则以发热的形式浪费掉了。如果考虑所有这些因素，汽油的优势因数就从340下降到了80。所以对于汽车来说，电池的能量相当于汽油的1/80。这个数字足以说明电池动力汽车是可行的。事实上，你会时不时地在新闻上看到有人已经造出了这样的汽车。一般的汽车油箱能承载大约100磅汽油。（1加仑汽油重约6磅。）要想造出一块铅酸电池，使其带有相当于100磅汽油所含的能量，那么这块电池的重量会是汽油的80倍，也就是8000磅。但是如果你愿意把车的续航里程减半，从300英里降到150英里，那么铅酸电池的重量可以缩减至4000磅。如果你通勤只需要75英里的续航里程，那么铅酸电池就只需要2000磅的重量了。（我们随后将讨论更轻的锂离子电池。）

你为什么要把汽油车换成只能跑75英里的车呢？常见的动机就是为了省钱。给电池充电的电力来自电力公司，每千瓦·时只需要10美分。而汽油的价格（2008年）是2.5美元1加仑。如果把这个数字转换成传递到车轮上的能量，就是约40美分每千瓦·时。所以，电的开销只有汽油的1/4！事实上，情况并没有这么乐观。大多数人在计算这个数字时，都忘了标准盐酸汽车电池是需要更换的，一般只能充电700次。如果加上电池开销，每千瓦·时的花费就成了20美分，仅相当于汽油开销的一半。但是由于电池所占空间很大，所以对于重视后备箱空间的人来说，这并不是一个好的选择。

电池在某些环境下具有另一些优势。在第二次世界大战期间，当潜水艇下潜并且无法获得氧气时，潜水艇的能源就是储藏在甲板下的大量电池。上浮到海平面或者“浮潜深度”之后，潜水艇就开始用柴油（一种汽油）驱动。柴油还可以驱动发电机给电池充电。所以大战期间，大多数潜水艇在大部分时间都待在海面上给电池充电。当你观看关于“二战”的电影时，这点表现得并不明显，你会误以为潜水艇是一直待在水下的。现代核潜艇不需要氧气，而且它们能在水下待几个月。这点极大地提高了潜水艇在侦察环境下的安全性。

电动车风潮

假设我们用了更好的电池，每克能容纳更多的能量，比如特斯拉Roadster，这款电动跑车续航里程为250英里，由1000磅重的可充电锂离子电池提供动力，和笔记本的电池类似。特斯拉公司宣称，如果你用家用电源插头给这种电池充电，那么这辆车每英里的花费为1—2美分，它能达到的最高时速为130英里/时。是不是很想马上来一台？这种车在英格兰的工厂里制造，售价约为10万美元。

玄机就藏在电池的成本中。我们在之前的计算中提到过，电动车用的是铅酸电池，零售价约为每磅1美元，50磅重的电池就要50美元。一块不错的计算机电池零售价格约为每磅100美元，10万美元能买来特斯拉跑车的1000磅重的电池。（大体量电池价格减半，所以特斯拉跑车电池的价格只有5万美元。）如果把重置成本算进来，铅酸电池每千瓦·时会花费10美分；类似的计算表明，计算机电池每千瓦·时要花费4美元。这可是汽油花费的10倍！所以，当你把更换新电池的成本考虑进来后，电动车运行起来可比标准汽油车贵得多。很多研究都把目光投向了电池的优化，所以电池的成本很有可能会降下来，而且在未来，电池在被换下来之前也很可能拥有更长的寿命。

“谁阻碍了电动车”曾是一个被过度渲染的话题。有人说是石油工业的从业者，因为他们不想看到更便宜的替代品。但是电动车依然并不便宜，除非你愿意忍受续航里程超短又笨重的铅酸电池车。

混合动力

虽然电池的限制众多，但是汽车行业还是出现了一种很不错的技术——混合动力汽车（混动车）。在混合动力车中有一台不大的汽油机，可以给电池充能，然后汽车再从电池中获得能量。这种做法可能比你想象的更有价值：汽油机可以在理想环境下以稳定的速率工作，所以它的效率可以达到普通汽车发动机的2—3倍。另外，混合动力发动机还能把汽车的某些机械运动（比如，下坡时获得的额外加速度）转化为化学能，存储在可充电电池中。这样做可以让你少踩刹车——刹车只会把动能转化为热。混合动力发动机正在变得越来越受欢迎，几年后，这种车可能会成为最普遍的汽车类型，如果汽油价格回到2008年的高点，那更是如此了。混合动力汽车每消耗1美制加仑汽油可以跑50英里（这个数据来自我开的丰田普锐斯，如果我加速不多的话），相比非混动汽车每加仑30英里的成绩已经不错了。

很多人抱怨他们的混动车没有配套设施，无法用墙上的插座充电。第一款普锐斯美国版的混动车只能从自身的汽油机获得能量。在日本，人们可以通过电网给汽车电池充电，而且你可以在网上找到通过改装使老版普锐斯也能用电网充电的教程。很多这么做的人都误以为自己省了钱。其实没有，正如我在讨论电动车时所说的，混动车的电池只能充电500—1000次，之后必须换新电池，这样每英里的平均成本就会变得很高。以2009年产的丰田普锐斯来说，电池只有在汽油机效率低时才会投入使用，比如在快速加速时。如果采用这种有节制的使用方式，电池的寿命将大幅度提高。虽然能延长的时间并不确定，但毫无疑问，这会对比较老的车造成影响。

氢 VS 汽油 VS 燃料电池

还记得吗？表1.1中每克氢气的化学能比汽油高1.6倍。关于未来的“氢经济”的热门报道就建立在这样的事实上。2003年，时任美国总统乔治·W. 布什宣布了一个重要计划，目的是让氢气作为燃料被更广泛地使用。但是两年后，大部分氢经济的项目都被取消了，稍后我们就会讨论一下其中的物理原因。

氢气另外一个吸引人的特征在于，它产生的废产物就是水，氢气与空气中的氧气发生化学反应就可以产生H2O（水）。一种叫作燃料电池的先进科技成果可以完成这种反应，让氢气的化学能直接被高效地转化为电能。

燃料电池看起来很像普通电池，但是具有一个很明显的优势。在普通电池中，一旦化学品被用尽了，你就要用别处产生的电来为其充电，不然就只能把它扔掉。而面对燃料电池，你要做的仅仅是提供更多的燃料（比如氢气和氧气）。图1.2是一个电解装置，两个电极通过水接通之后，分别析出了氢气和氧气。

燃料电池和电解装置十分类似，只是原理是反向的。氢气和氧气被压缩到了电极处，它们结合后产生了水，这个过程使得电流通过电线从一个电极流向另一个电极。所以图1.2也相当于一个燃料电池。

氢经济的主要技术难题在于氢气的密度很小。即使在液化之后，它的密度也只有0.071克/平方厘米，是汽油密度的1/10。另外，正如你在表1.1中看到的，氢气的能量相当于汽油的2.6倍，约等于3倍。把这些都考虑进来，我们就会发现，液态氢只能存储同等体积汽油所含能量的0.071×2.6=0.18倍，大概是1/5。但很多专家认为，这个差距只有3倍很好了，因为氢燃料的使用效率比汽油要高。记住以下近似值非常重要，这些数据在你和别人讨论氢经济时很有用。

记住：液态氢的能量约为：

同等重量汽油的3倍

同等体积汽油的1/5

以下是另一个很好记的近似法，以能传递到车上的能量来衡量：

1千克氢燃料≈1美制加仑汽油

液态氢的储存是十分危险的，因为在加热情况下它的体积能扩大1000倍。即使你用一个厚壁液体仓来储存氢，氢仍有可能成为高压气体。在每平方英寸1万磅的压力下（大气压的66倍），气态氢的密度大致是液态氢的一半。但是1:2的密度比，会让氢燃料更难找到合理的储存空间。

压缩氢气的能量只有同等体积的汽油的1/6

液体仓的自重，通常是它所装载的氢燃料的10—20倍。看着重量不大的氢燃料其实非常占空间，所以它可能会被先应用在公共汽车和卡车上，而在小轿车上的应用则会相对滞后。同时，氢还有可能是一种适用于飞机的宝贵燃料，因为对大型飞机来说，氢燃料在重量上的优势（比汽油轻）可能比它体积上的劣势（比汽油大）更重要。燃料电池首先在太空项目中取得了突出成就，氢成为宇航员存储能量的重要手段（图1.3）。就登陆月球任务所需要的能源来说，重量轻比体积小更重要，因为人们不必为巨大的太空舱节省这些空间。此外，由此产生的水还能给宇航员使用，而且没必要排出废弃的二氧化碳。

液态氢应用的一个技术难点在于，它的沸点是-423℉（-253℃）。这就意味着它必须用特制的保温瓶（准确名称是杜瓦瓶）来运输。如若不然，就得让氢气和别的物质产生物理或化学反应，结合成室温下便于运输的产物，但是这种方法极大地增加了每大卡的重量。还有一个更实际的选择，你可以用压缩气体的形式运输氢燃料，但是这样一来压力箱的重量事实上会超过其所运输的氢气。

你在地下根本挖不到氢气！事实上氢气或液态氢并不存在于自然环境。水和化石燃料（碳氢化合物）中有很多氢，但是没有“自由”的氢，也就是氢分子H2。氢经济需要的就是它。我们需要的氢气可以从哪里获得呢？答案是：我们得自己造，也就是从水或碳氢化合物中人为释放出氢。氢气只有两种获取方式，一种是电解水，另一种是让化石燃料（甲烷或煤）和水发生反应，从而产生氢气和一氧化碳。无论哪种方式都需要能量。

一家标准的未来制氢厂，首先需要一座由煤、汽油、核燃料或太阳能来供能的发电厂的能量支持。这家制氢厂可能需要能量来把普通水转化成氢气和氧气（通过电解，或者通过一系列被称为“蒸汽重组”的化学反应）。然后，举例来说，氢气可能会被冷却直到变为液态，然后再运输给消费者。如果通过这种方法获取氢，那你从氢中得到的能量还没有你制造氢花费的能量多。一种合理的估计是，原始能量（用来制造氢的能量）中能成功作用在车轮上的只有20%。所以：

氢本身不是能量源，只是一种运输能量的手段。

很多青睐氢经济的人相信甲烷将会是氢的来源。甲烷的化学式是CH4，它的分子中含有1个碳原子和4个氢原子。把甲烷和水加热到高温时，甲烷中的氢就释放出来，同时还会产生二氧化碳。因为二氧化碳是一种污染物（见第11章），所以这种生产方法不是最好的，但十有八九是最省钱的。

虽然燃料电池不生产污染物（只生产水），但我们不能说以氢为基础的经济是无污染的，除非制氢厂也是无污染的。尽管如此，相比汽油，氢燃料按理来说仍然对环境更好，原因有两条：第一，一般而言，一座发电厂可以比一台汽车的效率更高（所以释放的二氧化碳更少）；第二，发电厂相对于汽车有更加精密的污染控制装置。如果我们用核能或者太阳能来制氢，就不会产生和释放二氧化碳——导致全球变暖的头号麻烦气体。

氢还可以作为一种“清洁煤”转化的副产品被生产出来。在一些现代燃煤电厂中，煤和水发生反应会生成一氧化碳和氢气，它们随后即被燃烧。在这样的发电厂中，氢气可以被运到别处作为燃料使用，但是其中的能量依然是来自煤的。

其他人之所以喜欢把氢作为燃料，是因为这样可以把污染源从城市搬走，在城市里，高度集中的污染物会对人类健康造成更大的威胁。当然，要想预测所有环境影响是很难的。一些环保人士表示，大量的氢气可能会渗入大气层并飘到更高的地方，在那里和氧气生成水汽，而这些水汽会影响地球的温度和脆弱的大气结构，比如臭氧层（见第9章）。

美国拥有巨大的煤炭储量。“已知”的煤炭储量达到2万亿吨，但是如果更广泛地勘探，地质学家很可能会发现相当于现在储量2倍的煤矿。煤可以用来生产未来几百年需要的所有能量（以现在的消耗速度预估）。当然，随之而来的露天采矿和二氧化碳生成量会造成相当大的环境问题。煤可以通过一种名为费-托法（Fisher-Tropsch process）的技术转化为极易抽取的液体燃料，并应用在汽车上，我们将在第11章详细讨论它。

汽油 VS TNT

在大部分电影中，汽车一旦撞毁就会发生爆炸。在现实生活中也是这样吗？答案是：通常不会。除非汽油和空气以适当的比例混合（在汽车内通过喷油器或化油器完成），汽油只会燃烧，而不会爆炸。

在20世纪30年代西班牙内战期间，西班牙国民军发明了一种后来被称为“莫洛托夫鸡尾酒”的燃烧装置。这是一个装满汽油的酒瓶，瓶口塞着一块破布。人们把这块布用汽油浸透并点燃，再扔到敌军阵营里。受到冲击后，瓶子就会打碎。它通常不会爆炸，但是点燃的汽油会溅得到处都是，对攻击目标来说，这可不是什么有趣的体验。这种武器很快作为革命者的理想武器而声名远播。

在新闻中，美军经常投放一种“油气爆炸物”。你大概能猜到这是一种类似汽油的液体燃料。15000磅燃料装在一个大集装箱中（像炸弹一样），绑着降落伞，从飞机上缓缓下落。当它达到地面附近时，少量烈性炸药（可能只有几磅重）在中心爆炸，炸毁集装箱，并把燃料散播开来使其和空气混合——但不点燃。一旦燃料被铺开并和空气充分混合就会引发第二次爆炸。这次爆炸波及的范围很大，所以不会释放出足以打破混凝土墙的强大力量，但它足以杀死人类和其他“软目标”。这种爆炸物具有如此巨大的毁灭性，正是由于这15000磅的燃料（比如汽油）所蕴含的等同于225000磅TNT的能量。这些数字听起来很可怕，但事实比听起来还要恐怖。如果有士兵在一定距离外看到过油气爆炸物，那么他以后只要看到接近中的降落伞都会产生阴影。

铀 VS TNT

表1.1中最引人注意的条目就是以铀（也称铀-235）的形式所蕴含的巨大能量了。铀-235中的能量是TNT的3000万倍。在第4、第5章中我们将对此详细讨论。现在，我们只要了解几个事实就可以了。铀原子的原子核所蕴含的巨大力量就是这种能量的来源。对大多数原子来说，这种能量无法轻易被释放出来，但是铀-235（一种特殊的铀，只占天然铀的0.7%）的能量可以通过一种名为链式反应（chain reaction）的过程释放出来。这种巨大能量的释放，就是核电站和原子弹的基本工作原理。钚原子（与铀-235类似的放射元素钚-239）是另一种能释放如此巨大能量的原子。

每1克铀-235可以释放出相当于等量汽油200万倍的能量，相当于巧克力薄片曲奇400万倍的能量。下面的近似值很有用，值得一记：

对同等重量的燃料来说，核反应能释放出约为化学反应（食物反应）几百万倍的能量。

煤炭真是太便宜了

关于燃料的花费也有几个令人惊叹不已的地方。假设你想要买1大卡的能量来为房子供热。哪种能源最便宜呢？我们先把其他顾虑——比如方便——都抛在脑后，现在只关注燃料的成本。消费者很难进行对比，价格一直在变动，所以我们先借用21世纪头几年的平均价格：每吨煤约为40美元，每加仑汽油约为2.5美元，每千立方英尺天然气（甲烷）约为3美元，而每千瓦·时电约为10美分。花费1美元，哪种燃料能提供最多的大卡？答案并不明显，因为不同燃料是用不同单位计量的。但是如果把所有数据放到一起，我们就得到了表1.2。这张表还列出了各种能量转化为电之后的花销。对于化石燃料来说，这会使成本变为原来的3倍，因为发动机只能把约1/3的热转化为电。

这些成本的差别之大，真让人印象深刻。注意表1.2的第3列，每千瓦·时的价格。看到了吗？用电供热比用煤贵24倍！汽油的成本则比天然气高7倍不止。一些机械师为此改装了自己的汽车，让它们不再用汽油而是用压缩天然气。

请注意，当为家庭供热时，没转化为电的天然气的价格仅为电的1/3。早在20世纪50年代，很多人就认为“全电气化家庭”是最理想的，因为电很方便、清洁，而且安全。但是，很多这样的家庭现在都使用煤或天然气了，就因为这些能量要便宜得多。

这张表中最引人注目的就是煤的低价了。如果1美元能换来的能量大小是唯一的衡量标准，我们就应该用煤来满足所有能量需求。此外，对于很多有庞大能量需求的国家，包括美国、中国、俄罗斯以及印度来说，它们的煤炭资源都是极为丰富的——足以持续使用几百年。我们在接下来的几百年里可能会把石油耗尽，但是这不意味着我们会把所有便宜的化石燃料用光。

那么，我们为什么还要在汽车上用汽油，而不烧煤呢？答案与物理无关，所以我只能猜测。但是有一部分原因是汽油非常方便使用。汽油是一种液体，可以轻松地抽入油箱，再轻松地从油箱流入发动机。过去，汽油的价格比现在便宜得多，所以价格这个因素并没有方便那么重要，而且一旦我们为汽油优化了汽车设计和燃料输送系统之后，就很难改变了。每克汽油所蕴含的能量确实比煤要多，所以你不必搬运太大的重量；但是汽油的密度却比较低，所以油箱占据的空间更大。此外，煤炭还会留下煤灰等残渣，需要清除。

对那些认为我们需要减少燃烧化石燃料的人来说，煤的低价造成了一个很严重的后果。拥有大量贫困人口的国家，可能自认无力转而使用更贵的燃料。所以煤的超低价格对替代燃料（包括太阳能、生物燃料及风能）来说是一个真正的挑战。除非这些燃料的价格能和煤构成竞争，否则发展中国家很难承担这个转换成本。

能量价格和来源之间的紧密关系是很奇怪的。如果市场是“高效”的，就像经济学家假设的那样，那么所有燃料都会达到一个成本相同的价格。然而，这种情况并没有发生，因为市场并不是“高效”的。能源基础设施吸纳了大量的投资，而且运输能量的方式也很重要。相比墙上插座里的能量，我们更愿意为手电筒电池的能量花钱，因为手电筒便携、易用。过去的机车靠煤工作，但是同等重量的汽油能带来更多的能量，而且不会留下煤灰，所以蒸汽机车就变成柴油机车。我们的汽车是在石油便宜的时代设计的，而且我们习惯了使用这种燃料，觉得它的价格永远不会升高。在世界上汽油价格较高的地区（比如欧洲）通常都有较发达的公共交通，美国也有地铁。当汽油还便宜时，它还是一种还算能负担的享受。关乎我们生活方式的诸多方面都是围绕低油价设计的。我们愿意在燃料上花多少钱，不仅取决于它传递的能量多少，也取决于它的便利。

替代能源所面临的挑战在于，它们需要比煤在经济上更可行。后面我们谈到全球变暖时，会探讨煤怎样成为我们使用的最糟糕的二氧化碳排放源之一。为了减少对煤的使用，我们当然可以征税。但是只在发达国家这样做不会收到很大成效，因为根本问题在于印度这样的国家的能源使用状况。这些国家的领导者可能会选择尽可能便宜的能源，这样他们就能把资源投入到提高人民的营养、健康、教育，以及整体的生活水平上。

能量的形式

我们谈到过食物能量和化学能量。飞行的子弹或小行星的能量被称为运动能量或动能。存储在被压缩的弹簧中的能量，被称为储能或势能。（名称虽如此，但是势能的意思不是说它只有转化成能量的“势头”，势能是一种被储藏起来的能量，就像被储藏起来的食物仍是食物。）核能也是一种被储藏起来的能量，它把原子核的各个部分融为一体，当原子核破裂时，这种能量就会被释放出来。当物体处于较高的高度时就会具有引力能（gravitational energy）；当物体下落时，这种能量就会转化为动能。物体中的热也是能量的一种形式。所有这些能量都可以用大卡或焦耳来度量。

很多物理课本喜欢把化学能、核能和引力能归为不同形式的势能。这种定义把基于形状和位置——比如弹簧是否压缩了，或者化学物质中的原子是如何排列的——的所有能量都混为一谈。这样做的目的是为了简化等式，但是在本书中我没必要这么做，你只需要理解所有能量都是能量，无论名字叫什么。

能量（energy）这个词还有很多用法。有些沮丧的人会说自己“没能量”（no energy）了。鼓舞人心的演讲者会谈到“精神能量”（energy of the spirit）。这里我要声明一下：他们有权在这些非技术性的用法中谈论能量。物理学家从英语中提取了能量这个词，然后把它以一种更准确的方式重新定义了。从没人赋予物理学家这种权利。但是了解这个词的准确用法并且以物理学家的方式使用这个词是很有必要的。你可以把这种做法理解为“作为第二语言的物理学”。在讨论物理时，更准确的定义是很有用的。

在准确的物理语言中，功率（power）的定义是每秒使用的能量。它是指能量释放的速率，正如我在前面提到过的。这个定义用等式表示即：

注意到了吗？在日常用法中，功率和能量这两个词经常可以相互替换。如果你认真阅读报纸上的文章，就会发现这样的例子。但是当准确地使用这些词时，我们可以说，TNT的价值就在于，虽然每克的能量比巧克力薄片曲奇小，但是它具有更大的功率（因为它能把有限的能量在几百万分之一秒的时间内转化成热）。当然，TNT不能长时间地输出这样的功率，因为它的能量会用尽。

如前所述，功率最常见的单位是瓦特（W，简称瓦），以詹姆斯·瓦特命名，他就是研制出实用蒸汽机的人。蒸汽机是他所在时代最有力的发动机，也是18世纪末至19世纪初的“高科技”。瓦特的定义是每秒1焦耳：

1W=1瓦特=1焦耳/秒

1kW=1千瓦=1000焦耳/秒

正如我前面说的，千瓦（kilowatt）经常被缩写为kW，W之所以大写是因为瓦特是一个人的名字，但是瓦特（watt）通常都不用大写首字母。同样的逻辑也被应用在了千焦（kilojoule）上，它的缩写为kJ。

关于瓦特还有一个物理学笑话，灵感来自阿伯特和科斯特洛的经典段子“谁先上”？这个“谐音梗”段子原本讲的是棒球运动员的名字。我把这个故事放到了脚注中。[7]“谁先上”的原视频可以在网上找到。

能量是守恒的

当TNT或火药中的化学能突然转化为热能时，产生的气体温度极高，这些气体迅速膨胀并把子弹推出枪管。接着，气体失去了一部分能量（冷却了下来），这部分能量成为子弹的动能。值得一提的是，把所有这些能量加起来，总量是相同的。化学能虽然被转化为热能和动能，但是开枪产生的大卡（或焦耳）与储存在火药中的能量是等量的。这就是物理中“能量守恒”的含义。

能量守恒定律是最有用的科学发现之一。它因此赢得了一个别致的名字：热力学第一定律。热力学是研究热的科学，我们将在下一章讨论热。热力学第一定律指出，任何看似消失的能量都没有真的消失，通常只是转化成了热。

当一颗子弹击中目标并停下后，一部分动能转移到了被击中的物体上（将其撕裂），余下的则转化成热能。（目标和子弹在彼此碰撞时都会变得更热一些。）总能量永远是不变的，这是能量守恒的另一个例子。这是物理学中最有用的定律之一[8]，对需要进行物理和工程计算的人来说尤为宝贵。使用这个原理，物理学家可以计算出子弹离枪时的速度，我们则能够计算出物体跌落时的速度。

但是，如果能量守恒是物理学的一条定律，那么为什么我们的老师和国家宣传经常会告诫我们要节约能源呢？能量不是自动守恒的吗？

没错，但不是所有形式的能量都有同等的经济价值。把化学能变成热很简单，可是要把它转化回来就很难了。当有人告诉你要节约能源时，他所说的意思其实是“节约有用的能源”。最有用的能量是化学能（比如汽油的能量）以及势能（比如即将经过水坝并用来发电的水携带的能量）。最没用的能量形式就是热能，尽管有一些（但不是全部）热能可以被转化为有用的形式。

如何度量能量

度量能量最简单的方法就是把能量转化成热，然后看这部分热能把水温升高几度。其实，大卡的原始定义就是这么来的：1大卡是1千克水升高1℃所需要的能量。1卡路里是1克水升高1℃所需的能量。1大卡中约有4200焦耳。另外一种被广为使用的能量单位是千瓦·时。当你从电力公司购买电能时，用的就是这种单位。如果你在1小时内持续获得1000瓦特，这过程中传递的能量就是1千瓦·时，也就是在3600秒（1小时）中每秒获得1000焦耳，即360万焦耳=860大卡。你可以把1瓦·时记成约1大卡。记忆这些单位转换既枯燥，又没有必要，你可能不必为此劳神（除非是我特别推荐的例子）。表1.3显示了这些转换。

虽然你不需要费力记忆这张表，但是经常参考这些数据还是很有必要的，这样你就能大概把握不同问题中所涉及的能量大小了。比如，如果你对各个国家的能量使用状况开始感兴趣，就会读到很多关于库德[9]（quads）的内容，然后发现它是个很有用的单位。美国的能量使用量大约是每年100库德。（请注意，库德/年实际上是一种功率单位。）