▎小結(jié)

能量是做功的能力，可以用食物的大卡（Cal；又稱為千卡，縮寫為kcal）、千瓦·時(shí)（kW·h）以及焦耳（J）來衡量。每克汽油含有10大卡，每克餅干有5大卡，每克TNT有0.65大卡，而昂貴的電池每克約0.1大卡。汽油中蘊(yùn)含的高能量解釋了為什么汽油的使用范圍如此之廣。餅干中的高能量解釋了為什么減肥這么難。電池中存儲(chǔ)的能量相對較少，所以，要想把電池應(yīng)用在電動(dòng)車上并不簡單?；旌蟿?dòng)力汽車中裝有高效的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以及電池。當(dāng)汽車減速時(shí)，電池可以吸收能量，不需要再把能量浪費(fèi)成熱。燃料電池可以像普通電池一樣輸出電，但是燃料電池是通過添加化學(xué)品（比如氫氣）來充電的，而不是通過插入墻上的電源充電的。每克鈾含有2000萬大卡，但是大量釋放其中的能量要用核反應(yīng)堆或者核彈。

煤是最便宜的化石燃料，而且可以被轉(zhuǎn)化成汽油。能源使用大國都有豐厚的煤儲(chǔ)量。

功率是能量傳遞的速率，可以用大卡/秒或瓦特來度量，1瓦特=1焦耳/秒。TNT的價(jià)值并不在于它的能量，而在于它的功率，即TNT迅速釋放能量的能力。1馬力約為1千瓦（kW）。一棟普通的小房子需要1千瓦供能。人類可以在短時(shí)間內(nèi)輸出1馬力，但是在更長的時(shí)間內(nèi)只能持續(xù)輸出1/7馬力。

大型核電站生產(chǎn)電能的功率約為10億瓦，或者說1吉瓦（GW）。1平方千米陽光的功率也大致是1吉瓦，其中只有10%—40%可以被太陽能電池轉(zhuǎn)換，但是越好的太陽能電池也越貴。太陽能車不太實(shí)用，但是太陽能飛機(jī)卻大有可為，尤其對于偵察行動(dòng)來說。

糖和脂肪都含有很多大卡。半小時(shí)的劇烈運(yùn)動(dòng)只能消耗一聽軟飲料的卡路里。

動(dòng)能是運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。如果要獲得等同于TNT的能量，一塊石頭必須以大約1.5英里/秒的速度移動(dòng)。要想摧毀敵方導(dǎo)彈，你只要把一塊石頭放在導(dǎo)彈的彈道上就好了，因?yàn)閺膶?dǎo)彈的角度來看，石塊在以極高的速度移動(dòng)，攜帶著大量能量。如果石塊速度提高至10倍的話，它蘊(yùn)含的能量就會(huì)達(dá)到10×10=100倍。6500萬年前擊中地球的石塊的移動(dòng)速度約為15英里/秒，所以它的能量就是等量TNT的100倍。當(dāng)它擊中地球時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了熱能。熱導(dǎo)致該物體爆炸，我相信這就是導(dǎo)致恐龍滅絕的原因。

討論題

這些問題涉及了正文中沒有討論的問題，所以把它們當(dāng)成討論題很合適。你們可以盡情陳述個(gè)人觀點(diǎn)，但是要盡量用事實(shí)和（在合適的時(shí)機(jī)引用的）技術(shù)參數(shù)來支持你的論述。在寫下答案之前，你可能要先和朋友們討論一下。

1. 石油效率和國家安全。如今，美國因?yàn)閷ζ嚨氖褂枚鴺O度依賴石油。美國人對于石油的依賴已經(jīng)把中東變成世界上最重要的地區(qū)。如果汽車的熱機(jī)效率能達(dá)到40%（而非20%），美國人就不需要再進(jìn)口任何石油了。我們在石油使用上的低效所造成的全球性影響甚至涉及中東地區(qū)的戰(zhàn)爭。如何使石油利用更加高效，既是一個(gè)技術(shù)問題也是一個(gè)社會(huì)問題。誰來為研究買單？美國政府？私人企業(yè)？這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題還是國家安全問題？
2. 汽車通?？梢詳y帶100磅汽油，相當(dāng)于1500磅TNT所蘊(yùn)含的能量。但是汽油真的像這個(gè)對比暗示的那么危險(xiǎn)嗎？如果真是這樣，我們?yōu)槭裁匆阉b入汽車？如果不是，為什么？我們不接受汽油僅僅是因?yàn)槠偷娜秉c(diǎn)已經(jīng)為人所知了嗎？

搜索題

1. 小行星撞擊事件非常罕見，大約每2500萬年才會(huì)有一顆稍大的小行星撞擊地球。但是小一點(diǎn)的小行星出現(xiàn)得更加頻繁。在1908年，一顆彗星的碎片擊中了西伯利亞的通古斯地區(qū)，它隨后爆炸所釋放的能量等同于100萬噸TNT。請去網(wǎng)上找找關(guān)于通古斯大爆炸的信息。
2. 混合動(dòng)力汽車現(xiàn)在的狀況如何？相比汽油汽車，混動(dòng)車的效率提高了多少（以英里/加侖為單位）？在接下來還會(huì)進(jìn)行哪些改進(jìn)？所有混動(dòng)車的燃料使用都是高效的嗎？有效率更高的“標(biāo)準(zhǔn)”汽車嗎？
3. 如果要用太陽能為加州提供足夠的電力，太陽能電池需要占據(jù)多大的面積？在網(wǎng)上找找關(guān)于現(xiàn)有太陽能電池成本以及預(yù)期使用壽命的信息。有沒有公司在研究降低太陽能電池成本的方法？還有哪些方法可以把太陽能轉(zhuǎn)化成電能？你認(rèn)為太陽能應(yīng)用在欠發(fā)達(dá)地區(qū)會(huì)更加可行還是不可行？
4. 在網(wǎng)上搜一搜“聰明石塊”（smart rocks）和“智能卵石”（brilliant pebbles）?，F(xiàn)在是否有項(xiàng)目出于防御性目的開發(fā)這些技術(shù)？支持和反對這些項(xiàng)目的論據(jù)都是什么？
5. 風(fēng)能在世界各地的發(fā)展?fàn)顩r如何？目前最大的風(fēng)力渦輪機(jī)有多大？一臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)能輸出多大的能量？風(fēng)力渦輪機(jī)是處于需要政府補(bǔ)助的階段，還是已經(jīng)在商業(yè)上運(yùn)作了？
6. 關(guān)于電動(dòng)車，你能找到哪些信息？電動(dòng)車的續(xù)航里程是多少？如果把換電池的費(fèi)用也考慮在內(nèi)，電動(dòng)車還會(huì)比汽油車便宜嗎？
7. 在網(wǎng)上搜索能夠把煤轉(zhuǎn)化成柴油的費(fèi)—托法。有哪些國家使用過這種方法？是否有新工廠正在進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃？

論述題

1. 你認(rèn)為本章的內(nèi)容哪些最重要，可以上熱搜頭條？請?jiān)诩埳蠈懴聛?。你將如何告訴朋友、父母或孩子新聞里的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)？
2. 在2003年的美國國情咨文中，小布什宣布美國將開發(fā)氫經(jīng)濟(jì)。解釋一下氫經(jīng)濟(jì)是什么意思。對這種經(jīng)濟(jì)，人們持有哪些錯(cuò)誤的觀點(diǎn)？人們該如何使用氫？
3. 當(dāng)涉及數(shù)據(jù)時(shí)，能量和能源（功率）之間的混淆可能會(huì)成為問題。比如，以下是我在波特蘭通用電氣公司的網(wǎng)站上發(fā)現(xiàn)的：“一座超大型工業(yè)工廠在1小時(shí)內(nèi)使用的電能（功率）和50戶普通住宅1個(gè)月的使用量相同。”[16]你能看出這種混淆的原因嗎？你猜這段話作者所說的“1小時(shí)內(nèi)使用的電能（功率）”是指什么？你認(rèn)為真正的含義是“1個(gè)小時(shí)內(nèi)使用的能量”嗎？盡力描述一下作者的意圖。這位作者想為你留下什么樣的印象？這種印象是否準(zhǔn)確？
4. 朋友告訴你，在30年以后我們將會(huì)駕駛由太陽能提供動(dòng)力的汽車。你告訴他：“預(yù)測30年以后的事很難。但是讓我告訴你一種更有可能的情況?！泵枋鲆幌履銜?huì)告訴他什么。如果相關(guān)事實(shí)和數(shù)據(jù)能加強(qiáng)你的分析，就用它們來支持你的預(yù)測。
5. 當(dāng)車禍發(fā)生時(shí)，車的動(dòng)能就變成熱能、被壓碎的金屬、傷害及死亡。根據(jù)你（在現(xiàn)實(shí)生活和電影中）看到過的情況，請考慮兩場車禍，一場撞擊速度為35英里/時(shí)另一場為70英里/時(shí)。更快的撞擊速度有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重程度達(dá)到4倍的結(jié)果嗎？除了速度之外，還有哪些因素能影響車禍的后果？飛機(jī)的速度通常是600英里/時(shí)，但是起飛和降落階段的速度接近150英里/時(shí)。動(dòng)能方程能告訴我們?yōu)槭裁磯嫏C(jī)事故的幸存者總是很少嗎？
6. 能量是守恒的——這是基本的物理定律。那么，為什么我們還要“節(jié)能”呢？
7. 雖然每克TNT的能量相對很少，但它是一種高效的爆炸物。簡要地解釋一下原因。
8. 有人說：美國對汽油“上癮”。請比較汽油和其他汽車能使用的能源。舉出你所說的替代能源相對于汽油的優(yōu)勢和劣勢。

選擇題

1. “聰明石塊”用于

A. 地質(zhì)測定

B. 防御彈道導(dǎo)彈

C. 核動(dòng)力

D. 太陽能

2. 1瓦特等于

A. 1焦耳/秒

B. 1庫倫/秒

C. 1卡路里/秒

D. 1馬力

3. 滅絕恐龍的小行星之所以爆炸，是因?yàn)?/p>

A. 它是爆炸性材料做成的

B. 它是鈾-235做成的

C. 撞擊讓它變得非常熱

D. 它沒有爆炸，它把地球撞出了正常軌道

4. 動(dòng)能的單位是

A. 瓦特

B. 卡路里

C. 克

D. 安培

5. 以下哪些說法是正確的？

A. 能量用焦耳來計(jì)量，而功率用卡路里來計(jì)量

B. 功率是能量除以時(shí)間

C. 電池釋放能量，但是TNT釋放功率

D. 功率表示非常大的能量

E. 以上都對

6. 指出以下哪個(gè)是功率（P）單位

A. 馬力

B. 千瓦·時(shí)

C. 瓦特

D. 卡路里

7. 混動(dòng)汽車的動(dòng)力來自

A. 電能和太陽能

B. 太陽能和汽油

C. 電能和汽油

D. 核能和汽油

8. 由氫動(dòng)力汽車還沒有取代汽油車的主要原因是

A. 氫燃料太貴了

B. 氫燃料難以在汽車中儲(chǔ)存

C. 氫燃料是放射性的，公眾畏懼它

D. 氫燃料和空氣混合后會(huì)爆炸

9. 鈾-235釋放的能量是相同重量的汽油的___倍（選擇最接近的值）

A. 2200

B. 25000

C. 100萬

D. 10億

10. 以下哪種物質(zhì)含有的單位能量最多？

A. TNT

B. 巧克力薄片曲奇

C. 電池

D. 鈾

11. 比較1千克汽油和1千克手電筒電池中的能量，正確的是

A. 汽油的能量大約是手電電池的400倍

B. 汽油的能量大約是手電電池的10倍

C. 手電電池的能量大約是汽油的70倍

D. 它們不能公平地比較，因?yàn)橐粋€(gè)儲(chǔ)存的是功率而另一個(gè)儲(chǔ)存的是能量

12. 要釋放相同的能量，哪種能源最便宜？

A. 煤

B. 汽油

C. 天然氣

D. AAA電池

13. 一般來說，1克重的流星的動(dòng)能相當(dāng)于以下哪一項(xiàng)所包含的能量？

A. 10克TNT

B. 150克TNT

C. 1/100克TNT

D. 10克汽油

14. 美國的煤炭儲(chǔ)量預(yù)期可以維持

A. 幾百年

B. 三四十年

C. 72年

D. 不到10年

15. 限制電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)因素是

A. 電池的能量密度低

B. 電池比汽油更容易發(fā)生爆炸

C. 電能對于汽車來說并不實(shí)用

D. 電動(dòng)機(jī)比汽油機(jī)的效率低

16. 太陽能單位面積產(chǎn)生的功率約為（多選題）

A. 1瓦/平方米

B. 1千瓦/平方米

C. 1兆瓦/平方千米

D. 1吉瓦/平方千米

17. 便宜的太陽能電池的效率接近

A. 1%

B. 12%

C. 65%

D. 100%

18. 一個(gè)人跑上樓梯，他在短時(shí)間內(nèi)輸出的功率約為

A. 0.01馬力

B. 0.1馬力

C. 0.2馬力

D. 1馬力

19. 1聽軟飲料（不包括“低糖”“零度”類的飲料）含有的熱量約

A. 10大卡

B. 50大卡

C. 150大卡

D. 2000大卡

20. 一家大型核電站的產(chǎn)能功率約為

A. 1兆瓦

B. 1吉瓦

C. 100吉瓦

D. 1000吉瓦

21. AAA電池提供的電能會(huì)花費(fèi)消費(fèi)者約

A. 1美分/千瓦·時(shí)

B. 10美分/千瓦·時(shí)

C. 1美元/千瓦·時(shí)

D. 1000美元/千瓦·時(shí)

22. 墻上插座的電能會(huì)花費(fèi)美國消費(fèi)者約

A. 1美分/千瓦·時(shí)

B. 10美分/千瓦·時(shí)

C. 1美元/千瓦·時(shí)

D. 1000美元/千瓦·時(shí)

23. 液態(tài)氫每加侖（并非每磅）的能量約為汽油的

A. 1/3

B. 等量

C. 3倍

D. 12倍

24. 美國人使用的大部分氫來自

A. 地下的氫氣貯藏

B. 從大氣中抽離的氫氣

C. 核反應(yīng)堆產(chǎn)生的氫

D. 用化石燃料或水制造的氫氣

25. 有10個(gè)鎢絲燈泡，每個(gè)功率都是100瓦。如果把所有燈泡都點(diǎn)亮1小時(shí)，消耗的能量是

A. 10千瓦·時(shí)

B. 1千瓦·時(shí)

C. 10千瓦

D. 1000瓦

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[1]隨著宇宙的演化，很有可能所有能量都會(huì)被轉(zhuǎn)換為熱。圍繞這個(gè)概念，哲學(xué)家和神學(xué)家寫出了大量文章。該理論有時(shí)被稱為宇宙的“熱寂”，因?yàn)闊崮懿⒉豢偰鼙晦D(zhuǎn)換化回到其他形式。

[2]有我一次在一個(gè)蛋糕的配方上遇到了麻煩，因?yàn)槲也恢?湯匙（Tsp）和1茶匙（tsp）發(fā)酵粉之間的區(qū)別。事實(shí)上，1湯匙=3茶匙。問問西餐廚師就知道了?。═sp是湯匙的標(biāo)準(zhǔn)縮寫；tsp是茶匙的縮寫。）

[3]按作者寫書時(shí)（2009年）的匯率為每度電0.34—1.7元人民幣?！幷咦?/p>

[4]準(zhǔn)確地說，1大卡約是1瓦·時(shí)的84%。

[5]你將在第3章看到，如果要計(jì)算力的大小，你可以用一種物質(zhì)（如TNT）的能量除以它釋放的距離（根據(jù)化學(xué)能計(jì)算動(dòng)能）。

[6]工程師喜歡把“爆炸”和“爆燃”區(qū)分開來，爆炸會(huì)突然產(chǎn)生一個(gè)被稱作“沖擊波”的前奏，沖擊波穿過其余物質(zhì)并將其點(diǎn)燃，而在爆燃中并沒有沖擊波。汽車中的汽油引爆沒有沖擊波。所以根據(jù)以上定義，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中不存在爆炸。不過，媒體和公眾并不做如此精細(xì)的區(qū)分，在本書中我也不會(huì)。

[7]科斯特洛和阿伯特兩個(gè)人在討論物理。科斯特洛問：“什么是功率單位？”阿伯特說：“瓦特（Watt）?！笨扑固芈逭f：“我說，‘什么是功率單位？’”阿伯特說：“我說，‘瓦特’?！笨扑固芈逭f：“我再大點(diǎn)聲。什么（What）！是功率單位？”阿伯特說：“沒錯(cuò)?！笨扑固芈逭f：“‘沒錯(cuò)’是什么意思，我問了你一個(gè)問題。”阿伯特說：“瓦特是功率單位?！笨扑固芈逭f：“我就是這么問的?！卑⒉卣f：“這就是答案?！蹦憧梢詿o限延長這個(gè)對話。

[8]當(dāng)愛因斯坦的相對論（見第12章）預(yù)測質(zhì)量可以被轉(zhuǎn)化為能量時(shí)，此定律被修改成：質(zhì)量和能量的總和是守恒的。

[9]庫德（quad）在美式英語中表示能量單位，1庫德約等于2.4億噸石油所含的能量?！幷咦?/p>

[10]感謝自行車運(yùn)動(dòng)員亞歷克斯·魏斯曼提供的數(shù)據(jù)。

[11]我參考的一本運(yùn)動(dòng)生理學(xué)的書把這些數(shù)據(jù)制成一張表，其讀者可能是運(yùn)動(dòng)員或農(nóng)場主，所以才會(huì)舉清潔馬廄的例子。

[12]在很多教科書中，千克僅作為質(zhì)量單位使用。我沒有遵守這條物理學(xué)慣例，可能有人會(huì)說我“粗心”，但事實(shí)上，歐洲和美國的稱重量單位也是千克。對一般用法來說，1千克就表示“1千克質(zhì)量的重量”。

[13]地球和太陽之間的距離為r=93×106英里=150×106千米。圓的周長為C=2πr。地球公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是一年，即t=3.16×107秒。把這些放在一起，我們就能得到地球的速度是v=C/t=30千米/秒。（注意，一年的總秒數(shù)非常接近于t≈π×107。這是物理學(xué)家們非常喜歡使用的近似值。）

[14]取半徑為5千米=5×105厘米，我們可以算出體積V=（4/3）πr3=5.2×1017立方厘米。石塊的密度約為3克/立方厘米，所以質(zhì)量約為1.6×1018克=1.6×1012噸。

[15]廣島原子彈的能量等同于13千噸=0.013兆噸TNT。人們試驗(yàn)過的殺傷力最大的核武器是1961年的蘇聯(lián)核試驗(yàn)中的武器，它釋放了等同于58兆噸TNT的能量。

[16]一個(gè)月通常有30天，也就是說30×24=720小時(shí)，所以上述工廠相當(dāng)于使用了50棟住宅每小時(shí)耗能的720倍。如正文所說，50棟住宅每小時(shí)一般需要消耗50千瓦電能。這就意味著這家工廠的動(dòng)力設(shè)備耗能為720×50千瓦=36兆瓦?；叵胍幌拢患移胀ù笮桶l(fā)電廠的輸出是1吉瓦=1000兆瓦。這家工業(yè)工廠使用的功率相對這個(gè)數(shù)字似乎并不大。但是原文的表述讓這種功率顯得非常大（至少在我看來是這樣）。