能量，轉化，效率

目前而言，對于能量最常見的定義是“做功的能力”。這種表述很簡單，但其含義卻深刻得多。為了清楚地理解能量的這一定義，我們不能將做功僅僅想象為機械作用(9)，而應從廣義的角度將其視為受影響的系統(10)中所有會導致變化(11)的過程。

如果在接下來的10分鐘里，你只是靜坐在一間安靜的房間內，也就是說表面上看你沒有做任何功，狹義地說，你沒有通過身體在某個機械任務上施加力。但即便如此，你身體的新陳代謝仍在大量做功，因為從消化的食物中獲取的能量會為你的呼吸（吸入氧氣和呼出二氧化碳）提供動力，將你的體溫保持在37 ℃左右，促進血液循環，以及產生消化過程和神經系統傳輸信息等身體功能所需的各種酶。需要注意的是，以上這些是人體中的四大關鍵過程。當你在努力思考一個抽象概念時，實際上你消耗的能量還會相對多一些，但是在你的大腦中，所有這些額外神經連接的新增過程所需的能量其實微不足道。即使你在熟睡時，你的大腦所消耗的能量也會占據身體新陳代謝的20%左右，而對于非常費神的腦力活動而言，其消耗的能量也只比這一比例大一點點而已。

另外，各種能量都會以各自不同的形式做功。例如，擊穿夏季天空的閃電，其做功方式與巨型港口起重機從碼頭上抓起大型鋼箱然后將它們高高地堆放在集裝箱船上的做功方式有很大不同——這種差異產生的原因來自一大基礎物理現實：能量以多種形式存在，而且能以不同的方式進行轉化。從星系層面到亞原子層面，從生物演化的漫長時間到瞬息即逝的短暫時間，能量及其轉化過程存在于不同的時間和空間尺度上。閃電的做功過程持續時間不到一秒，但會照亮和加熱周圍的空氣，并分解氮氣分子，在這個過程中，云與云或云與地之間放電的電能轉化為電磁能、熱能和化學能。而集裝箱港口堆垛起重機的電動機則夜以繼日地做功，將電能轉化為機械能和被裝載貨物的勢能。

19世紀的物理學家認為能量不是一種容易定義的單一存在形式，而是一種涵蓋多種自然和人為現象的抽象的集合概念。這些現象最常見的形式有熱（熱能）、運動（動能或機械能）、光（電磁能）以及燃料和食物中的化學能。其中某些能量之間的轉化是生命得以存在的基礎：光合作用會將光的一小部分電磁能變成細菌和植物的化學能，而烹飪和加熱則是將生物質如木材、木炭、稻草或化石燃料如煤、石油、天然氣中的化學能轉化為熱能（見表1-1）。另外，還有一些能量轉化過程給我們帶來了極大的便利：電池中化學能向電能的轉化驅動著數十億臺手機、音樂播放器和收音機。還有一些能量轉化則很罕見，例如，將電磁能轉化為核能的伽馬-中子反應只會應用在特定的科學和工業任務中。

所有運動的物體都有動能，不管它們是由貧化鈾制成的沉重穿甲彈殼，還是在熱帶雨林上空騰起的稀疏云朵。我們既可以輕松地感知動能產生的效果，也能輕易地計算出動能（E_k）的大小，因為它等于運動物體的質量（m）與其速度（v）的平方之積的一半，即。需要說明一點，由于物體的動能與其速度的平方成正比，所以速度翻倍會導致動能變成原來的4倍；而當速度變為原來的3倍時，動能則會變為原來的9倍。因此，當速度很快時，即使很小的物體也可能變得非常危險。速度超過80 m/s（約為290 km/h）的龍卷風能將輕如鴻毛的稻草屑插入樹干；以8 000 m/s的速度飛行的太空碎片，比如一個丟失的螺栓，能夠穿透在太空行走的宇航員的加壓服；而以60 000 m/s的速度飛行的微流星體(12)足以摧毀一艘太空船。

勢能源自物體或其結構在空間中位置的變化。引力勢能源自物體在地球重力場中的位置變化，這種勢能是無處不在的：任何位置升高的物體都會獲得重力勢能，比如上升的水蒸氣、舉起的手、高翔的鳥或飛升的火箭。重力勢能的一大實際應用是水力發電，即讓蓄在大壩背后的水下落到渦輪機葉片上來產生電能。這種發電方式經濟效益顯著，全世界近20%的電力都是通過這種方式獲取的。大壩所蓄的水或斜坡上不穩定的風化了的石頭的重力勢能等于其高出地面的質量（m）、其高出地面的平均高度（h）及引力常量（g）這三者的乘積，即E_p=mgh。彈性勢能是另一種勢能，扭動而繃緊的發條就是一種常見的彈性勢能的例子。彈性勢能可通過形狀的變化來進行存儲，而在發條線圈變回松弛狀態時，彈性勢能會被釋放并做有用功，比如驅動鐘表或會動的玩具。

生物質（biomass）(13)和由死后的生物體轉化而成的化石燃料中含有大量的化學能，這種能量保存在生物組織和燃料的化學鍵中，可以通過燃燒即快速氧化發生放熱反應產生熱能。這個過程會形成新的化學鍵，生成二氧化碳，另外通常還會釋放出氮，并排放出硫氧化物，如果燃燒的是液體或氣體燃料，還會產生水。

能量的轉化效率很容易理解，即可獲得輸出與初始輸入之比。不同的能量轉化過程的效率不同。有的能量轉化過程效率極低，如光合作用：在每年射向農田的太陽能輻射中，即使最高產的農作物也只能將其中4%～5%的能量轉化為新的植物量，而全球年平均光合作用效率僅為0.3%，因為很多植物常受到低溫或缺乏水分等問題的影響。如果將初始輸入限定為光合有效輻射（photosynthetically active radiation）(17)，則有用的能量傳遞效率會翻一倍，但在全球范圍內，這一數值仍然低于1%。低效的能量轉化意味著能量損失很大，也就是說，原始能量中僅有非常少的一部分會被轉化為人們所需的服務或產品，根據熱力學第一定律，在這個過程中能量不會消失，而熱力學第二定律則表明這些輻射中的很大一部分能量最終會變成無用的分散的熱能。

相比之下，能量轉化效率超過90%的過程、設備和機器也不少。沿踢腳板鋪設的電阻式加熱器能以100%的效率將電能轉化為熱能；膳食均衡的健康人類能以高達99%的效率消化糖和淀粉等碳水化合物；最好的天然氣暖爐能以95%～97%的效率將輸入燃料的化學能轉化為房間中的熱能；大型電動機能將超過95%的電能轉化為快速旋轉的動能；熱力發電站中的巨型渦輪機更是能以高達99%的效率將在磁場中旋轉物體的機械能轉化為電能。

從離我們最近的恒星發出的刺眼光線到從故障核反應堆逸出的難以察覺卻致命的電離輻射，從火箭發動機中的高溫燃燒到在環境溫度和壓力下發生的復雜精妙的酶促反應，能量有著千差萬別的表現形式。盡管如此，所有的能量現象的量化都可借助少量通用單位來實現。雖然世界各地的人們在日常生活中依然會用傳統方式度量能量，但現代科學和工程學所應用的度量指標都是基于1960年啟用的國際單位制(18)。本書只會使用適當的國際單位制單位，本章后半部分會給出本書所用單位的完整列表以及用來表示倍數和分數的詞頭。