▎爆炸和能量

當處于存儲狀態的大量能量，突然在有限的空間中轉化為熱時，爆炸就發生了，對手榴彈、原子彈，或者撞擊地球的小行星來說都是如此。爆炸釋放的熱使物質汽化，成為溫度極高的氣體。這樣的氣體具有巨大的壓力——也就是說，它給周圍所有物質都施加了很大的力。沒有東西能抵御如此強大的力，所以氣體能迅速膨脹并把所有鄰近的物體都推開。在爆炸中真正帶來傷害的是飛散的碎片。在這里，能量的最初形式并沒有嚴格的限制，它可以是動能（由運動產生），就像小行星攜帶的能量，或者化學能，就像三硝基甲苯（TNT）所蘊含的能量。從能量到熱的快速轉化，才是大部分爆炸的真正原理。

你可能已經注意到了，我在上一段使用了很多術語，但是我并沒有解釋它們。諸如“能量”和“熱”這樣有其日常的含義的詞，在物理學中，它們也有各自確切的含義。物理學可以像幾何學那樣，借助演繹推理獲得知識，但是用這種方法學習會有點困難。所以我們先從最直觀的定義開始，隨著對物理的逐步深入，再讓這些定義變得更準確。下面有一些你可能會覺得很有用的初始定義，它們的確切含義會在接下來的三章中逐漸清晰。

定義（不必記住）

• 能量是一種做功的能力。功（work）的大小有明確的計算方法，即力的大小乘力在其作用方向上移動的距離。能量的另一種定義：任何能被轉化成熱的東西。[1]
• 熱是一種能夠令物質溫度升高的東西，這個變化可以被溫度計測量到。（事實上，在微觀層面熱是由分子振動產生的動能。）

這些定義對專業物理學家來說挺適用的，但是在你看來可能有些神秘，而且幫助不大，因為它們含有你可能無法準確理解的其他概念（功、力、動能）。我會在接下來解釋這些概念。事實上，單憑定義理解能量的概念非常難，就像通過背字典來學一門外語。所以，耐心一點，我會告訴你很多例子，幫助你慢慢切入主題。

我的建議是，與其慢慢閱讀，不如快速瀏覽本章。你要通過重復瀏覽來學習物理，也就是反復重溫相同的內容。每次回顧，你對這些內容的理解都會更進一步。這也是學外語的最佳方法——完全沉浸法。所以，不要急于理解所有東西，只要保持閱讀就好。

能量的大小

猜一猜：1磅爆炸物（比如黑色炸藥或TNT）和1磅巧克力薄片曲奇相比，誰含有的能量更大呢？先別往下讀，猜猜看。

答案是：巧克力薄片曲奇的能量更大。不僅如此，兩者的差距還很大——曲奇餅干中含有的能量是TNT的8倍！這個事實讓絕大多數人都感到震驚，甚至包括很多物理學教授。你可以試試向你學物理的朋友提出這個問題。

怎么會這樣呢？TNT炸藥之所以這么出名，不就是因為它能釋放很多能量嗎？我們稍后再來解釋。首先，我們要列出幾種物質的能量，還有很多驚喜等著我們。

為了方便對比，我們來看看就幾種不同的物質來說，1克物質蘊含著多少能量。（1克是1立方厘米水的重量，1便士硬幣的重量是3克，1磅是454克。）我會用幾種不同的單位來衡量能量：大卡、卡路里、瓦·時以及千瓦·時。

卡路里

上面提到的單位，你最熟悉的可能就是大卡（Cal）了。它就是節食減肥中著名的“食物卡路里”，出現在食品包裝袋上。一片巧克力薄片（只是薄片，不是整塊餅干）約含有3大卡能量。一聽可口可樂大約含有150大卡的能量。

注意：如果你學過物理化學，就可能接觸過卡路里（calorie）這個單位。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個卡路里。這是個很糟糕的慣例用法，但不能賴我。物理學家喜歡把衡量食物熱量的卡路里稱為“千卡”。歐洲、亞洲的食品標簽上經常標有千卡，但是美國不一樣。所以1大卡=1000卡=1千卡。[2]

千瓦·時

另一個著名的能量單位就是千瓦·時，縮寫為kW·h。W之所以要大寫，有人說是因為它代表詹姆斯·瓦特的姓，但這無法解釋我們為什么不在“千瓦”（kilowatt）中大寫W。這個單位之所以耳熟能詳，是因為我們從電力公司買電的單位就是kW·h（也叫度）。這就是你家電表測量的單位。美國電價1千瓦·時的價格是5—25美分[3]，根據你居住地點的不同而上下浮動。（電價的差異要比油價大得多。）這里我們假設平均價格為每千瓦·時等于10美分。

你可能不感到意外的是，還有一個更小的單位叫作“瓦·時”，縮寫為W·h。1千瓦·時=1000瓦·時。這個單位并不常用，因為它實在太小了，我的筆記本電池標注的容量是60瓦·時。這個單位的主要價值在于，1瓦·時約等于1大卡。[4]所以為了方便學習，我們必須知道：

1瓦·時（W·h）≈1大卡

1千瓦·時（kW·h）≈1000大卡

焦耳

物理學家喜歡使用焦耳（J，簡稱焦）這個能量單位（以詹姆斯·焦耳命名），因為這會讓他們的等式看起來更簡單。1大卡約有4200焦耳，1瓦·時約有3600焦耳，1千瓦·時中約有360萬焦耳。

表1.1顯示了各種不同物質的近似能量值。你可能會發現這張表是整本書中最有意思的表之一。里面到處是驚喜，而最有趣的是最右側的一列。

仔細思考一下這張能量表，集中注意力觀察最右邊一列。尋找一下讓你吃驚的數據。你能找到多少？把它們劃出來。我認為以下事實都很令人震驚：

巧克力薄片曲奇含有超多的能量

電池所含的能量非常少（和汽油相比）

流星的能量很高（和子彈或TNT相比）

鈾-235中含有非常巨大的能量（和表中所有其他物質相比）

試著考考你的朋友，看看他們知道多少。就連大多數物理學專業的學生都會大跌眼鏡。這些驚人之處和表中的其他特征值得我們好好討論一下，對于人類能源的未來而言，這些結論將會影響深遠。

關于能量表的討論

我們先來看看能量表中那些更重要，也更令人感到吃驚的事實，仔細地討論一下。

TNT VS 巧克力薄片曲奇

TNT和巧克力薄片曲奇的能量都儲存在原子之間的力中，這就像把能量儲存在壓縮彈簧中一樣——很快我們就會更詳細地討論原子。一些人愿意把這種能量稱為化學能，但是這樣的區分并不十分重要。當TNT爆炸時，力會以非常大的速度把原子彼此推離，就像松開后的彈簧會突然伸長一樣。

能量表中最驚人的事實之一就是巧克力薄片曲奇擁有相同重量TNT炸藥8倍的能量。這怎么可能呢？如果要炸掉一棟大樓，我們為什么不能用巧克力薄片曲奇來取代TNT？所有沒研究過這個課題的人幾乎都（錯誤地）認為TNT釋放的能量要比曲奇大得多，其中也包括大部分物理學專業人士。

在以破壞為目的的活動中，TNT之所以如此有效，是因為它能以極快的速度釋放能量（把能量轉化為熱）。由此而來的熱量如此之大，以至于TNT變成了迅速擴張的氣體，推動并粉碎了其周圍的物體。（我們將在下一章詳細討論關于力和壓力的概念。）1克TNT釋放其所有能量的時長一般大約為百萬分之一秒。如此突然的能量釋放可以打碎很堅固的物質。[5]這就是功率問題了。巧克力薄片曲奇含有的能量很多，而TNT發揮作用時的功率很高。功率就是能量釋放的速率，我們稍后將詳細討論。

雖然巧克力薄片曲奇含有的能量比相同重量的TNT要多，但它的能量通常釋放得更加緩慢，需要借助一系列我們稱為新陳代謝（metabolism）的化學過程。這種過程需要人體消化作用中不同的化學變化來完成，比如把食物和胃里的酸混合，再和腸道中的酶混合。最后，被消化的食物和肺帶來的氧氣發生反應產生能量，并存儲在紅細胞中。與之相比，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開始爆炸，剩下的也會被觸發。如果你想要毀掉一座建筑，你可以用TNT。或者你還可以雇來一幫半大孩子，給他們幾把大錘子，并且喂他們吃曲奇。鑒于巧克力薄片曲奇中的能量超過了同等重量的TNT，每1克巧克力薄片曲奇造成的破壞合起來，最終會超過TNT。

注意到了嗎？我在這里耍了個小花招。當我們說每1克巧克力薄片曲奇中含有5大卡能量時，忽略了與它混合的空氣的重量。TNT中含有爆炸所需的所有化學物質，而巧克力薄片曲奇卻要與空氣混合。雖然空氣是“免費”的（你買曲奇的時候不需要買空氣），但是每克巧克力薄片曲奇之所以包含了如此大的能量，就是因為我們沒把空氣的重量算進去。如果要加入空氣的重量，每克巧克力薄片曲奇產生的能量將會降低到只有2.5大卡/克，但這仍然是TNT炸藥的能量的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顯高于曲奇、黃油、酒精或煤炭。這也是汽油能成為寶貴燃料的原因。當我們為汽車尋找替代燃料時，這個事實尤為重要。

汽油通過與氧氣結合來釋放能量（轉化為熱），所以它必須與空氣充分混合。在一輛汽車中，這一過程是由一個名為噴油器的特殊裝置完成的；老一點的車用的是化油器。燃燒發生在一個筒形腔中，它被恰當地稱為汽缸。燃燒釋放的能量把活塞沿著中心線向下推，這就是推動汽車車輪的動力。內“燃”機也可以被看成一臺內“爆”機。[6]車內的消聲器的作用就是確保車里的爆炸聲能夠減弱，不至于危害人體。有些人喜歡把消聲器拿掉——特別是一些摩托車手——讓完整的爆炸聲漏出來，這會讓人產生動力更強勁的錯覺。去掉消聲器，也會降低發動機外部的壓力，所以施加在車輪上的動力實際上增加了，但是并沒有增加多少。在下一章中我們將詳細討論汽油發動機（汽油機）。

汽油之所以如此受歡迎，最根本的物理上的原因就在于它每克重量中所蘊含的高能量。另外一個原因在于，汽油燃燒后的殘留物都是氣體（大部分是二氧化碳和水蒸氣），所以沒有需要清除的殘留物。相比之下，包括煤在內的大部分燃料都會留下灰碴。

電池的能量低得讓人意外

電池也是以化學形式儲存能量的。它可以利用自己的能量把電子從原子中釋放出來。電子能沿著金屬線把能量傳遞到其他地方；你可以把電線看做電子的“管線”。電能的最大好處是它可以輕松地通過電線運輸，并通過電動機轉化成動能。

一塊汽車電池承載的能量是同等重量汽油的1/340！甚至，一塊昂貴的計算機電池也只有汽油1/100的能量。大多數汽車之所以選擇汽油而非電池作為能量來源，就是出于這些物理上的原因。電池之所以能用來啟動發動機，是因為它工作起來既穩定又快捷。

電動汽車

一般的汽車電池又稱為鉛酸電池，因為它利用了鉛和硫酸的化學反應來產生電。表1.1顯示，這類電池所容納的能量是汽油的1/340。但是，電池提供的電能是非常方便的。電能轉化為車輪能量的效率高達85%，換句話說，只有15%的能量耗費在運行電動機上。汽油機則糟糕得多，汽油的能量只有20%用在了車輪上，剩下的80%則以發熱的形式浪費掉了。如果考慮所有這些因素，汽油的優勢因數就從340下降到了80。所以對于汽車來說，電池的能量相當于汽油的1/80。這個數字足以說明電池動力汽車是可行的。事實上，你會時不時地在新聞上看到有人已經造出了這樣的汽車。一般的汽車油箱能承載大約100磅汽油。（1加侖汽油重約6磅。）要想造出一塊鉛酸電池，使其帶有相當于100磅汽油所含的能量，那么這塊電池的重量會是汽油的80倍，也就是8000磅。但是如果你愿意把車的續航里程減半，從300英里降到150英里，那么鉛酸電池的重量可以縮減至4000磅。如果你通勤只需要75英里的續航里程，那么鉛酸電池就只需要2000磅的重量了。（我們隨后將討論更輕的鋰離子電池。）

你為什么要把汽油車換成只能跑75英里的車呢？常見的動機就是為了省錢。給電池充電的電力來自電力公司，每千瓦·時只需要10美分。而汽油的價格（2008年）是2.5美元1加侖。如果把這個數字轉換成傳遞到車輪上的能量，就是約40美分每千瓦·時。所以，電的開銷只有汽油的1/4！事實上，情況并沒有這么樂觀。大多數人在計算這個數字時，都忘了標準鹽酸汽車電池是需要更換的，一般只能充電700次。如果加上電池開銷，每千瓦·時的花費就成了20美分，僅相當于汽油開銷的一半。但是由于電池所占空間很大，所以對于重視后備箱空間的人來說，這并不是一個好的選擇。

電池在某些環境下具有另一些優勢。在第二次世界大戰期間，當潛水艇下潛并且無法獲得氧氣時，潛水艇的能源就是儲藏在甲板下的大量電池。上浮到海平面或者“浮潛深度”之后，潛水艇就開始用柴油（一種汽油）驅動。柴油還可以驅動發電機給電池充電。所以大戰期間，大多數潛水艇在大部分時間都待在海面上給電池充電。當你觀看關于“二戰”的電影時，這點表現得并不明顯，你會誤以為潛水艇是一直待在水下的。現代核潛艇不需要氧氣，而且它們能在水下待幾個月。這點極大地提高了潛水艇在偵察環境下的安全性。

電動車風潮

假設我們用了更好的電池，每克能容納更多的能量，比如特斯拉Roadster，這款電動跑車續航里程為250英里，由1000磅重的可充電鋰離子電池提供動力，和筆記本的電池類似。特斯拉公司宣稱，如果你用家用電源插頭給這種電池充電，那么這輛車每英里的花費為1—2美分，它能達到的最高時速為130英里/時。是不是很想馬上來一臺？這種車在英格蘭的工廠里制造，售價約為10萬美元。

玄機就藏在電池的成本中。我們在之前的計算中提到過，電動車用的是鉛酸電池，零售價約為每磅1美元，50磅重的電池就要50美元。一塊不錯的計算機電池零售價格約為每磅100美元，10萬美元能買來特斯拉跑車的1000磅重的電池。（大體量電池價格減半，所以特斯拉跑車電池的價格只有5萬美元。）如果把重置成本算進來，鉛酸電池每千瓦·時會花費10美分；類似的計算表明，計算機電池每千瓦·時要花費4美元。這可是汽油花費的10倍！所以，當你把更換新電池的成本考慮進來后，電動車運行起來可比標準汽油車貴得多。很多研究都把目光投向了電池的優化，所以電池的成本很有可能會降下來，而且在未來，電池在被換下來之前也很可能擁有更長的壽命。

“誰阻礙了電動車”曾是一個被過度渲染的話題。有人說是石油工業的從業者，因為他們不想看到更便宜的替代品。但是電動車依然并不便宜，除非你愿意忍受續航里程超短又笨重的鉛酸電池車。

混合動力

雖然電池的限制眾多，但是汽車行業還是出現了一種很不錯的技術——混合動力汽車（混動車）。在混合動力車中有一臺不大的汽油機，可以給電池充能，然后汽車再從電池中獲得能量。這種做法可能比你想象的更有價值：汽油機可以在理想環境下以穩定的速率工作，所以它的效率可以達到普通汽車發動機的2—3倍。另外，混合動力發動機還能把汽車的某些機械運動（比如，下坡時獲得的額外加速度）轉化為化學能，存儲在可充電電池中。這樣做可以讓你少踩剎車——剎車只會把動能轉化為熱。混合動力發動機正在變得越來越受歡迎，幾年后，這種車可能會成為最普遍的汽車類型，如果汽油價格回到2008年的高點，那更是如此了。混合動力汽車每消耗1美制加侖汽油可以跑50英里（這個數據來自我開的豐田普銳斯，如果我加速不多的話），相比非混動汽車每加侖30英里的成績已經不錯了。

很多人抱怨他們的混動車沒有配套設施，無法用墻上的插座充電。第一款普銳斯美國版的混動車只能從自身的汽油機獲得能量。在日本，人們可以通過電網給汽車電池充電，而且你可以在網上找到通過改裝使老版普銳斯也能用電網充電的教程。很多這么做的人都誤以為自己省了錢。其實沒有，正如我在討論電動車時所說的，混動車的電池只能充電500—1000次，之后必須換新電池，這樣每英里的平均成本就會變得很高。以2009年產的豐田普銳斯來說，電池只有在汽油機效率低時才會投入使用，比如在快速加速時。如果采用這種有節制的使用方式，電池的壽命將大幅度提高。雖然能延長的時間并不確定，但毫無疑問，這會對比較老的車造成影響。

氫 VS 汽油 VS 燃料電池

還記得嗎？表1.1中每克氫氣的化學能比汽油高1.6倍。關于未來的“氫經濟”的熱門報道就建立在這樣的事實上。2003年，時任美國總統喬治·W. 布什宣布了一個重要計劃，目的是讓氫氣作為燃料被更廣泛地使用。但是兩年后，大部分氫經濟的項目都被取消了，稍后我們就會討論一下其中的物理原因。

氫氣另外一個吸引人的特征在于，它產生的廢產物就是水，氫氣與空氣中的氧氣發生化學反應就可以產生H2O（水）。一種叫作燃料電池的先進科技成果可以完成這種反應，讓氫氣的化學能直接被高效地轉化為電能。

燃料電池看起來很像普通電池，但是具有一個很明顯的優勢。在普通電池中，一旦化學品被用盡了，你就要用別處產生的電來為其充電，不然就只能把它扔掉。而面對燃料電池，你要做的僅僅是提供更多的燃料（比如氫氣和氧氣）。圖1.2是一個電解裝置，兩個電極通過水接通之后，分別析出了氫氣和氧氣。

燃料電池和電解裝置十分類似，只是原理是反向的。氫氣和氧氣被壓縮到了電極處，它們結合后產生了水，這個過程使得電流通過電線從一個電極流向另一個電極。所以圖1.2也相當于一個燃料電池。

氫經濟的主要技術難題在于氫氣的密度很小。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，氫氣的能量相當于汽油的2.6倍，約等于3倍。把這些都考慮進來，我們就會發現，液態氫只能存儲同等體積汽油所含能量的0.071×2.6=0.18倍，大概是1/5。但很多專家認為，這個差距只有3倍很好了，因為氫燃料的使用效率比汽油要高。記住以下近似值非常重要，這些數據在你和別人討論氫經濟時很有用。

記住：液態氫的能量約為：

同等重量汽油的3倍

同等體積汽油的1/5

以下是另一個很好記的近似法，以能傳遞到車上的能量來衡量：

1千克氫燃料≈1美制加侖汽油

液態氫的儲存是十分危險的，因為在加熱情況下它的體積能擴大1000倍。即使你用一個厚壁液體倉來儲存氫，氫仍有可能成為高壓氣體。在每平方英寸1萬磅的壓力下（大氣壓的66倍），氣態氫的密度大致是液態氫的一半。但是1:2的密度比，會讓氫燃料更難找到合理的儲存空間。

壓縮氫氣的能量只有同等體積的汽油的1/6

液體倉的自重，通常是它所裝載的氫燃料的10—20倍。看著重量不大的氫燃料其實非常占空間，所以它可能會被先應用在公共汽車和卡車上，而在小轎車上的應用則會相對滯后。同時，氫還有可能是一種適用于飛機的寶貴燃料，因為對大型飛機來說，氫燃料在重量上的優勢（比汽油輕）可能比它體積上的劣勢（比汽油大）更重要。燃料電池首先在太空項目中取得了突出成就，氫成為宇航員存儲能量的重要手段（圖1.3）。就登陸月球任務所需要的能源來說，重量輕比體積小更重要，因為人們不必為巨大的太空艙節省這些空間。此外，由此產生的水還能給宇航員使用，而且沒必要排出廢棄的二氧化碳。

液態氫應用的一個技術難點在于，它的沸點是-423℉（-253℃）。這就意味著它必須用特制的保溫瓶（準確名稱是杜瓦瓶）來運輸。如若不然，就得讓氫氣和別的物質產生物理或化學反應，結合成室溫下便于運輸的產物，但是這種方法極大地增加了每大卡的重量。還有一個更實際的選擇，你可以用壓縮氣體的形式運輸氫燃料，但是這樣一來壓力箱的重量事實上會超過其所運輸的氫氣。

你在地下根本挖不到氫氣！事實上氫氣或液態氫并不存在于自然環境。水和化石燃料（碳氫化合物）中有很多氫，但是沒有“自由”的氫，也就是氫分子H2。氫經濟需要的就是它。我們需要的氫氣可以從哪里獲得呢？答案是：我們得自己造，也就是從水或碳氫化合物中人為釋放出氫。氫氣只有兩種獲取方式，一種是電解水，另一種是讓化石燃料（甲烷或煤）和水發生反應，從而產生氫氣和一氧化碳。無論哪種方式都需要能量。

一家標準的未來制氫廠，首先需要一座由煤、汽油、核燃料或太陽能來供能的發電廠的能量支持。這家制氫廠可能需要能量來把普通水轉化成氫氣和氧氣（通過電解，或者通過一系列被稱為“蒸汽重組”的化學反應）。然后，舉例來說，氫氣可能會被冷卻直到變為液態，然后再運輸給消費者。如果通過這種方法獲取氫，那你從氫中得到的能量還沒有你制造氫花費的能量多。一種合理的估計是，原始能量（用來制造氫的能量）中能成功作用在車輪上的只有20%。所以：

氫本身不是能量源，只是一種運輸能量的手段。

很多青睞氫經濟的人相信甲烷將會是氫的來源。甲烷的化學式是CH4，它的分子中含有1個碳原子和4個氫原子。把甲烷和水加熱到高溫時，甲烷中的氫就釋放出來，同時還會產生二氧化碳。因為二氧化碳是一種污染物（見第11章），所以這種生產方法不是最好的，但十有八九是最省錢的。

雖然燃料電池不生產污染物（只生產水），但我們不能說以氫為基礎的經濟是無污染的，除非制氫廠也是無污染的。盡管如此，相比汽油，氫燃料按理來說仍然對環境更好，原因有兩條：第一，一般而言，一座發電廠可以比一臺汽車的效率更高（所以釋放的二氧化碳更少）；第二，發電廠相對于汽車有更加精密的污染控制裝置。如果我們用核能或者太陽能來制氫，就不會產生和釋放二氧化碳——導致全球變暖的頭號麻煩氣體。

氫還可以作為一種“清潔煤”轉化的副產品被生產出來。在一些現代燃煤電廠中，煤和水發生反應會生成一氧化碳和氫氣，它們隨后即被燃燒。在這樣的發電廠中，氫氣可以被運到別處作為燃料使用，但是其中的能量依然是來自煤的。

其他人之所以喜歡把氫作為燃料，是因為這樣可以把污染源從城市搬走，在城市里，高度集中的污染物會對人類健康造成更大的威脅。當然，要想預測所有環境影響是很難的。一些環保人士表示，大量的氫氣可能會滲入大氣層并飄到更高的地方，在那里和氧氣生成水汽，而這些水汽會影響地球的溫度和脆弱的大氣結構，比如臭氧層（見第9章）。

美國擁有巨大的煤炭儲量。“已知”的煤炭儲量達到2萬億噸，但是如果更廣泛地勘探，地質學家很可能會發現相當于現在儲量2倍的煤礦。煤可以用來生產未來幾百年需要的所有能量（以現在的消耗速度預估）。當然，隨之而來的露天采礦和二氧化碳生成量會造成相當大的環境問題。煤可以通過一種名為費-托法（Fisher-Tropsch process）的技術轉化為極易抽取的液體燃料，并應用在汽車上，我們將在第11章詳細討論它。

汽油 VS TNT

在大部分電影中，汽車一旦撞毀就會發生爆炸。在現實生活中也是這樣嗎？答案是：通常不會。除非汽油和空氣以適當的比例混合（在汽車內通過噴油器或化油器完成），汽油只會燃燒，而不會爆炸。

在20世紀30年代西班牙內戰期間，西班牙國民軍發明了一種后來被稱為“莫洛托夫雞尾酒”的燃燒裝置。這是一個裝滿汽油的酒瓶，瓶口塞著一塊破布。人們把這塊布用汽油浸透并點燃，再扔到敵軍陣營里。受到沖擊后，瓶子就會打碎。它通常不會爆炸，但是點燃的汽油會濺得到處都是，對攻擊目標來說，這可不是什么有趣的體驗。這種武器很快作為革命者的理想武器而聲名遠播。

在新聞中，美軍經常投放一種“油氣爆炸物”。你大概能猜到這是一種類似汽油的液體燃料。15000磅燃料裝在一個大集裝箱中（像炸彈一樣），綁著降落傘，從飛機上緩緩下落。當它達到地面附近時，少量烈性炸藥（可能只有幾磅重）在中心爆炸，炸毀集裝箱，并把燃料散播開來使其和空氣混合——但不點燃。一旦燃料被鋪開并和空氣充分混合就會引發第二次爆炸。這次爆炸波及的范圍很大，所以不會釋放出足以打破混凝土墻的強大力量，但它足以殺死人類和其他“軟目標”。這種爆炸物具有如此巨大的毀滅性，正是由于這15000磅的燃料（比如汽油）所蘊含的等同于225000磅TNT的能量。這些數字聽起來很可怕，但事實比聽起來還要恐怖。如果有士兵在一定距離外看到過油氣爆炸物，那么他以后只要看到接近中的降落傘都會產生陰影。

鈾 VS TNT

表1.1中最引人注意的條目就是以鈾（也稱鈾-235）的形式所蘊含的巨大能量了。鈾-235中的能量是TNT的3000萬倍。在第4、第5章中我們將對此詳細討論。現在，我們只要了解幾個事實就可以了。鈾原子的原子核所蘊含的巨大力量就是這種能量的來源。對大多數原子來說，這種能量無法輕易被釋放出來，但是鈾-235（一種特殊的鈾，只占天然鈾的0.7%）的能量可以通過一種名為鏈式反應（chain reaction）的過程釋放出來。這種巨大能量的釋放，就是核電站和原子彈的基本工作原理。钚原子（與鈾-235類似的放射元素钚-239）是另一種能釋放如此巨大能量的原子。

每1克鈾-235可以釋放出相當于等量汽油200萬倍的能量，相當于巧克力薄片曲奇400萬倍的能量。下面的近似值很有用，值得一記：

對同等重量的燃料來說，核反應能釋放出約為化學反應（食物反應）幾百萬倍的能量。

煤炭真是太便宜了

關于燃料的花費也有幾個令人驚嘆不已的地方。假設你想要買1大卡的能量來為房子供熱。哪種能源最便宜呢？我們先把其他顧慮——比如方便——都拋在腦后，現在只關注燃料的成本。消費者很難進行對比，價格一直在變動，所以我們先借用21世紀頭幾年的平均價格：每噸煤約為40美元，每加侖汽油約為2.5美元，每千立方英尺天然氣（甲烷）約為3美元，而每千瓦·時電約為10美分。花費1美元，哪種燃料能提供最多的大卡？答案并不明顯，因為不同燃料是用不同單位計量的。但是如果把所有數據放到一起，我們就得到了表1.2。這張表還列出了各種能量轉化為電之后的花銷。對于化石燃料來說，這會使成本變為原來的3倍，因為發動機只能把約1/3的熱轉化為電。

這些成本的差別之大，真讓人印象深刻。注意表1.2的第3列，每千瓦·時的價格。看到了嗎？用電供熱比用煤貴24倍！汽油的成本則比天然氣高7倍不止。一些機械師為此改裝了自己的汽車，讓它們不再用汽油而是用壓縮天然氣。

請注意，當為家庭供熱時，沒轉化為電的天然氣的價格僅為電的1/3。早在20世紀50年代，很多人就認為“全電氣化家庭”是最理想的，因為電很方便、清潔，而且安全。但是，很多這樣的家庭現在都使用煤或天然氣了，就因為這些能量要便宜得多。

這張表中最引人注目的就是煤的低價了。如果1美元能換來的能量大小是唯一的衡量標準，我們就應該用煤來滿足所有能量需求。此外，對于很多有龐大能量需求的國家，包括美國、中國、俄羅斯以及印度來說，它們的煤炭資源都是極為豐富的——足以持續使用幾百年。我們在接下來的幾百年里可能會把石油耗盡，但是這不意味著我們會把所有便宜的化石燃料用光。

那么，我們為什么還要在汽車上用汽油，而不燒煤呢？答案與物理無關，所以我只能猜測。但是有一部分原因是汽油非常方便使用。汽油是一種液體，可以輕松地抽入油箱，再輕松地從油箱流入發動機。過去，汽油的價格比現在便宜得多，所以價格這個因素并沒有方便那么重要，而且一旦我們為汽油優化了汽車設計和燃料輸送系統之后，就很難改變了。每克汽油所蘊含的能量確實比煤要多，所以你不必搬運太大的重量；但是汽油的密度卻比較低，所以油箱占據的空間更大。此外，煤炭還會留下煤灰等殘渣，需要清除。

對那些認為我們需要減少燃燒化石燃料的人來說，煤的低價造成了一個很嚴重的后果。擁有大量貧困人口的國家，可能自認無力轉而使用更貴的燃料。所以煤的超低價格對替代燃料（包括太陽能、生物燃料及風能）來說是一個真正的挑戰。除非這些燃料的價格能和煤構成競爭，否則發展中國家很難承擔這個轉換成本。

能量價格和來源之間的緊密關系是很奇怪的。如果市場是“高效”的，就像經濟學家假設的那樣，那么所有燃料都會達到一個成本相同的價格。然而，這種情況并沒有發生，因為市場并不是“高效”的。能源基礎設施吸納了大量的投資，而且運輸能量的方式也很重要。相比墻上插座里的能量，我們更愿意為手電筒電池的能量花錢，因為手電筒便攜、易用。過去的機車靠煤工作，但是同等重量的汽油能帶來更多的能量，而且不會留下煤灰，所以蒸汽機車就變成柴油機車。我們的汽車是在石油便宜的時代設計的，而且我們習慣了使用這種燃料，覺得它的價格永遠不會升高。在世界上汽油價格較高的地區（比如歐洲）通常都有較發達的公共交通，美國也有地鐵。當汽油還便宜時，它還是一種還算能負擔的享受。關乎我們生活方式的諸多方面都是圍繞低油價設計的。我們愿意在燃料上花多少錢，不僅取決于它傳遞的能量多少，也取決于它的便利。

替代能源所面臨的挑戰在于，它們需要比煤在經濟上更可行。后面我們談到全球變暖時，會探討煤怎樣成為我們使用的最糟糕的二氧化碳排放源之一。為了減少對煤的使用，我們當然可以征稅。但是只在發達國家這樣做不會收到很大成效，因為根本問題在于印度這樣的國家的能源使用狀況。這些國家的領導者可能會選擇盡可能便宜的能源，這樣他們就能把資源投入到提高人民的營養、健康、教育，以及整體的生活水平上。

能量的形式

我們談到過食物能量和化學能量。飛行的子彈或小行星的能量被稱為運動能量或動能。存儲在被壓縮的彈簧中的能量，被稱為儲能或勢能。（名稱雖如此，但是勢能的意思不是說它只有轉化成能量的“勢頭”，勢能是一種被儲藏起來的能量，就像被儲藏起來的食物仍是食物。）核能也是一種被儲藏起來的能量，它把原子核的各個部分融為一體，當原子核破裂時，這種能量就會被釋放出來。當物體處于較高的高度時就會具有引力能（gravitational energy）；當物體下落時，這種能量就會轉化為動能。物體中的熱也是能量的一種形式。所有這些能量都可以用大卡或焦耳來度量。

很多物理課本喜歡把化學能、核能和引力能歸為不同形式的勢能。這種定義把基于形狀和位置——比如彈簧是否壓縮了，或者化學物質中的原子是如何排列的——的所有能量都混為一談。這樣做的目的是為了簡化等式，但是在本書中我沒必要這么做，你只需要理解所有能量都是能量，無論名字叫什么。

能量（energy）這個詞還有很多用法。有些沮喪的人會說自己“沒能量”（no energy）了。鼓舞人心的演講者會談到“精神能量”（energy of the spirit）。這里我要聲明一下：他們有權在這些非技術性的用法中談論能量。物理學家從英語中提取了能量這個詞，然后把它以一種更準確的方式重新定義了。從沒人賦予物理學家這種權利。但是了解這個詞的準確用法并且以物理學家的方式使用這個詞是很有必要的。你可以把這種做法理解為“作為第二語言的物理學”。在討論物理時，更準確的定義是很有用的。

在準確的物理語言中，功率（power）的定義是每秒使用的能量。它是指能量釋放的速率，正如我在前面提到過的。這個定義用等式表示即：

注意到了嗎？在日常用法中，功率和能量這兩個詞經常可以相互替換。如果你認真閱讀報紙上的文章，就會發現這樣的例子。但是當準確地使用這些詞時，我們可以說，TNT的價值就在于，雖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（因為它能把有限的能量在幾百萬分之一秒的時間內轉化成熱）。當然，TNT不能長時間地輸出這樣的功率，因為它的能量會用盡。

如前所述，功率最常見的單位是瓦特（W，簡稱瓦），以詹姆斯·瓦特命名，他就是研制出實用蒸汽機的人。蒸汽機是他所在時代最有力的發動機，也是18世紀末至19世紀初的“高科技”。瓦特的定義是每秒1焦耳：

1W=1瓦特=1焦耳/秒

1kW=1千瓦=1000焦耳/秒

正如我前面說的，千瓦（kilowatt）經常被縮寫為kW，W之所以大寫是因為瓦特是一個人的名字，但是瓦特（watt）通常都不用大寫首字母。同樣的邏輯也被應用在了千焦（kilojoule）上，它的縮寫為kJ。

關于瓦特還有一個物理學笑話，靈感來自阿伯特和科斯特洛的經典段子“誰先上”？這個“諧音梗”段子原本講的是棒球運動員的名字。我把這個故事放到了腳注中。[7]“誰先上”的原視頻可以在網上找到。

能量是守恒的

當TNT或火藥中的化學能突然轉化為熱能時，產生的氣體溫度極高，這些氣體迅速膨脹并把子彈推出槍管。接著，氣體失去了一部分能量（冷卻了下來），這部分能量成為子彈的動能。值得一提的是，把所有這些能量加起來，總量是相同的。化學能雖然被轉化為熱能和動能，但是開槍產生的大卡（或焦耳）與儲存在火藥中的能量是等量的。這就是物理中“能量守恒”的含義。

能量守恒定律是最有用的科學發現之一。它因此贏得了一個別致的名字：熱力學第一定律。熱力學是研究熱的科學，我們將在下一章討論熱。熱力學第一定律指出，任何看似消失的能量都沒有真的消失，通常只是轉化成了熱。

當一顆子彈擊中目標并停下后，一部分動能轉移到了被擊中的物體上（將其撕裂），余下的則轉化成熱能。（目標和子彈在彼此碰撞時都會變得更熱一些。）總能量永遠是不變的，這是能量守恒的另一個例子。這是物理學中最有用的定律之一[8]，對需要進行物理和工程計算的人來說尤為寶貴。使用這個原理，物理學家可以計算出子彈離槍時的速度，我們則能夠計算出物體跌落時的速度。

但是，如果能量守恒是物理學的一條定律，那么為什么我們的老師和國家宣傳經常會告誡我們要節約能源呢？能量不是自動守恒的嗎？

沒錯，但不是所有形式的能量都有同等的經濟價值。把化學能變成熱很簡單，可是要把它轉化回來就很難了。當有人告訴你要節約能源時，他所說的意思其實是“節約有用的能源”。最有用的能量是化學能（比如汽油的能量）以及勢能（比如即將經過水壩并用來發電的水攜帶的能量）。最沒用的能量形式就是熱能，盡管有一些（但不是全部）熱能可以被轉化為有用的形式。

如何度量能量

度量能量最簡單的方法就是把能量轉化成熱，然后看這部分熱能把水溫升高幾度。其實，大卡的原始定義就是這么來的：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大卡中約有4200焦耳。另外一種被廣為使用的能量單位是千瓦·時。當你從電力公司購買電能時，用的就是這種單位。如果你在1小時內持續獲得1000瓦特，這過程中傳遞的能量就是1千瓦·時，也就是在3600秒（1小時）中每秒獲得1000焦耳，即360萬焦耳=860大卡。你可以把1瓦·時記成約1大卡。記憶這些單位轉換既枯燥，又沒有必要，你可能不必為此勞神（除非是我特別推薦的例子）。表1.3顯示了這些轉換。

雖然你不需要費力記憶這張表，但是經常參考這些數據還是很有必要的，這樣你就能大概把握不同問題中所涉及的能量大小了。比如，如果你對各個國家的能量使用狀況開始感興趣，就會讀到很多關于庫德[9]（quads）的內容，然后發現它是個很有用的單位。美國的能量使用量大約是每年100庫德。（請注意，庫德/年實際上是一種功率單位。）