能量的三大终极问题：你是谁，从哪儿来，到哪儿去？

首发于2017年5月16日

能量的三大终极问题：

你是谁，从哪儿来，到哪儿去？

我们千辛万苦开发能源，归根结底就是为了拿到能量。

那么，能量是啥呢？

简单地讲，能量，就是物质的运动。

但这个简洁的定义不能服人。因为大家都知道：在这个奇葩宇宙，没有什么是不运动的，我们身上的每一个夸克都在运动，然而你感到处处充满能量了么？

所以，物质纯洁无邪的运动，并不是人类所说的能量。

我们想要的是，把这个运动进行量化转换，转化成可以控制和利用的“能力”——这才叫能量。

为啥要用“转化”，而不用“创造”这个励志的词呢？因为，能量是创造不出来的。

根据热力学第一定律，宇宙中的能量是守恒的，它只能从一种形式转换成另一种形式，既不会无故缺斤少两，也不会凭空超值赠送，绝对保值，童叟无欺。

那么问题便带着诚意扑面而来了：

·物质的运动有那么多姿势，转换成啥才能为我所用呢？

·能量到底是从哪里来的呢？

 

下面，我们从各种运动姿势出发，开扒各种能量的祖宗十八代。

 

先说最熟悉的：火。这是人类最早驯服的自然力（见《能源极简史》）。

不管是一百多万年前烧柴，还是如今烧煤、石油、天然气，所得到的能量，都来自化学能。

化学能，顾名思义，就是在化学反应中，所吸收、释放的能量。

小学自然老师告诉我们：化学反应有很多种，其中一种叫氧化反应。

氧化激烈时，就会发光发热，产生历史老师所说的“照亮人类文明之路”的火焰。

那么，氧化是咋搞出光、热、火焰的呢？光、热、火究竟是啥东西？

这个问题扯出了物理老师，事情就复杂了。复杂到需要语文老师足够强大，我们才听得懂。

这次，我们绝不首先动用美术老师，尽量只用文字说清所有事。下面，烧。脑。开。始。

 

大家知道，凡是可以烧的东西，都是原子混搭而成的。

原子呢？是原子核和电子混搭成的。

而原子核，又是质子和中子混搭成的。

问题的关键来了：质子带正电，电子带负电。

异性相吸的道理，相信大家深有体会，而一夫一妻制，自古以来就是原子国人民智慧的结晶，所以全世界无产阶级都知道：一个原子核有几个质子，它就能勾引几个电子。

勾引来的电子不管有几个，都紧密围绕在以原子核为核心的原子周围，飞扬成欢乐的电子云。

游戏规则：原子核只要按照质子数N，集齐了N个电子，就召唤出一只完美的原子。

啥叫完美？正负相抵、阴阳平衡，这就是一只情绪基本稳定的原子。

 

说到稳定，这其实是宇宙的最终归宿。

虽然宇宙看上去狂（活）躁（力）不（四）安（射），但它总体上（每一个原子）都是喜欢稳定的。一般来讲，能量越低越稳定。

当稳定压倒了一切，达到绝对稳定时，就是传说中的宇宙末日——热寂。

然而，在这个充满了运动、充满了相互作用的年轻宇宙中，能量分配极度不均，基尼系数极其吓人，想要稳定也没那么容易。

就说原子吧，不管什么原因，比如有外部势力让它的电子多了或者少了，破坏了一夫一妻制，那它就成了“离子”，电性整体上显正或者负，这就不淡定了，要去跟别的异性原子合体，搞个汉大帮，才能安抚那颗躁动的心。

 

那么，如果整个原子呈“电中性”，也就是电子和质子数正好相等、完美执行了一夫一妻制，原子是否就不躁动了呢？

不是的，因为电子、原子核都在不停地运动。

想象一下：在狂风中，一只飘摆不定的蜂窝，那是运动中的原子核，围着蜂窝飞舞的蜜蜂，就是电子云，大家都在壮怀激烈地做不可描述的运动，所以，你没法要求蜜蜂以蜂窝为球心，飞出一个完美的球形。

原子核、电子云的运动比蜜蜂家激烈多了，所以电子云不是这边密一些，就是那里稀一些。前面说了，电子带负电，质子带正电，所以，电子云密的方向，电性就显负，反方向就显正，简单的讲，这就有了正负极，是不是很眼熟？是的，整个原子就像一枚小磁铁。

这个正负极，虽然瞬瞬间都变幻莫测，但当两个原子相遇时，这个瞬间偶极就会让它俩搞在一起，这就是为什么好好的原子会黏在一起变成分子，分子也会有极性，这样就可以合成更大的分子……

 

当然，原子们搞在一起的理由有很多，比如合作双赢资源共享追求外层8个电子的土豪稳定生活等等。

不同的理由，就有不同的结合方式，什么范德华力、氢键、卤键等等，但不管什么鬼，大家用的都是同一种力：电磁力。电磁力的本质，是粒子之间交换光子，从而产生的相互作用。

电磁力是个好东西，有吸有斥，张弛有度。

不管是原子核VS电子，还是原子VS原子，都是用吸力搞在一起，用斥力和运动保持距离。

 

说了这么多，只为一个简单的道理：所谓化学反应，表面上看，是原子们的各种拆装组合，实际上呢，就是电磁力的各种转换。

前面说了，能量是守恒的，必须等量交换，一手钱一手货，这笔交易，在外界看来，就是吸收能量、释放能量。举个粒子：

电子和原子核本来好好地搞在一起，要想拆开它们，就得拿能量来换，比方说塞给电子一枚高晓凤，哦不，一枚光子，电子搂着光子就兴奋起来、速度加快，快到能摆脱电磁力，飞到城市的另一边。这个反应在吃瓜群众看来，就是原子在吸收能量。

相反，一枚电子闯进原子核的势力范围，被原子核勾引，想要在一起，电子就得减速、扔掉一部分能量，这样才能被电磁力吸引住。这个反应在吃瓜群众看来，就是原子在释放能量。

 

当然，实际的物理、化学反应要复杂得多，吸收、释放能量的原因和方式也很多，篇幅关系，不能全聊，但有一个字必须聊好：热。

 

所谓热，其实就是热运动，说文言文：就是原子、分子们不停地乱动。

千万不要小瞧了小伙伴们的乱动，这个速度是很快的：

在室温下，如果把一个空气分子的不规则运动捋成一个方向，它每秒钟可以跑400米，比普通手枪子弹还快一点哦。

乱动越剧烈，就越“热”，反之当然就越“冷”。

在人类已知的宇宙里，没有哪个原子是不做热运动的。

而我们知道，质子、电子都是带电的，不管正电负电，带电物体一运动，就会立即产生磁场，奇妙的是，运动的磁场又会立即产生电场，这样瞬间循环开，飞速传出去，就是传说中的电磁波（详见《波动传奇》）。

电磁波的速度都是一样，每秒29.9792458万公里，但能量不一样，波长越短、频率越高，能量就越大。

波长380~780纳米的电磁波，人类可以看见，我们管它叫做“光”。

波长比光短的，我们管它叫紫外线、X射线、伽马射线等。

波长比光长的，我们管它叫红外线、微波、射电波等等。

原子乱动可以发射电磁波，也就是扔出能量，冷静下来。

反之，电磁波射过来，原子也可以接收，得到能量，兴奋起来。

 

既然频率越高、波长越短，能量就越大，那么，是不是说，波长越短的电磁波，就越容易让物体变热呢？

并不是。

最容易让原子做热运动的，是红外线。因为它的频率最容易引起原子共振，大家一起做运动。所以，越接近红外线频率的电磁波，加热的效率就越高。

能量很高的紫外线、X射线呢？它们可以打飞电子、破坏分子结构什么的，但很难引起原子热运动。

所以，我们用红外线、微波加热，却不用紫外线、X光加热。

 

搞清楚了光、热的关系，就可以开始我们的氧化大业了。

我们这里只谈狭义氧化，也就是和氧气化合的反应。

一场氧化反应，总体上是吸能还是放能呢？这要看具体情况。

同样的原子，不同的分子组合，它们需要的能量是不一样的。比如氢气分子、氧气分子，它们在反应前，保持现状的能量就比较高，但如果它们起反应，变成水分子呢？水分子这种结构很稳定，需要的能量低，所以，氢、氧化合成水，总体上就是放热。

而氮气和氧气化合呢，就正好相反。因为形成一氧化氮所需要的能量，大于拆开氧分子、氮分子所释放的能量。也就是说，你想拆开氧分子、氮分子，让氧原子和氮原子结合，必须倒搭点能量进去才做得到。所以，氮氧化合，总体上是吸热。

 

柴也好，煤炭、油气也罢，它们的主要原料是碳、氢之类。这些原子，很容易和氧结合。并且，都是释放能量。所以，我们拿它们当主要能源，而不是烧氮气。

前面说过，小伙伴们需要运动，才能搞在一起。运动太孱弱，搞不到一起去，运动太暴烈，也没法结合。

所以，氧化反应之前，需要输入恰当的能量，让一部分原子先运动起来，最终带动大家共同运动，这就是“点火”。

当一部分小伙伴们的运动剧烈到一定程度，氧、碳、氢这些分子，就会产生反应，改装成水呀、二氧化碳之类的分子，产生大量的电磁波，一小部分可以被我们看见，这就是光，多数我们看不见，比如红外线、微波之类，这是舞蹈的旋律，其它小伙伴感受到这个旋律，就会共振起舞、激起电磁波——这叫热辐射；同时，它们的狂舞，还会撞动身边的小伙伴一起狂舞，这叫热传导；狂舞、轻舞的小伙伴来回乱窜混合，这叫热对流。

 

热辐射、热传导、热对流，可以让几个小伙伴的氧化反应，迅速引发亿万个小伙伴的氧化反应，这种剧烈的氧化反应，就叫燃烧。

而所谓火焰，其实是正在发生剧烈反应的高温气体、等离子体之类，这些高温气体比周围的空气轻，所以上升，下面呢，就不断补充新产生的气化燃料和空气，继续反应，所以我们看到的火，总是摇曳上升的样子。至于火苗各部分颜色不一样，那是由于各部分的供氧量不一样、反应剧烈程度不一样的原因。

所以火本身并不是某种具体的东西，而是物质气化、氧化过程中的一种发光发热的状态。所以，古人把火作为一种具体的事物，甚至与水、金等元素并列，那只是人类小时候对自然的一种直觉认识罢了。

 

说到这儿，就很容易理解火的能量转化过程了：

让燃料产生化学反应，释放能量，通过热辐射、热传导、热对流，转化到我们的目标上，达到不可描述的目的——

·让食物中的分子剧烈运动起来，剧烈到一定程度，就可以扯断食物的分子键，破坏细胞、蛋白质等东西的结构，这样吃起来、消化起来就省力多了，如果破坏太过，让食物碳化了，那就是烧糊了。

·让金属分子运动剧烈起来，就可以破坏它的分子结构，让它从坚硬的固体变成柔软的液体，任我取用。

·燃烧猛烈到一定程度，瞬间产生大量的气体、释放大量能量，迅速膨胀，那就是爆炸。

·原子的运动越激烈，它们的碰撞就越猛烈，彼此之间的距离就越大，这样就会形成向外的压力。我们把这种必须释放的压力，成功地转化成了自己可以控制的动能、机械能等能量，比如发电机、蒸汽机、内燃机、火箭、炸弹等等。

 

这就是人类常用的火，一种化学能的来源，它属于原子运动、电磁力能量转化的一种。这种转化的效率不是很高，搞不好还背负污染环境的骂名。

好在能量转化的姿势不止这一种。其他种种，我们以后再聊。