能源新趨勢（中文版）

能源新趨勢中文版目錄\h1我們所認(rèn)知的能量：熱力學(xué)定律和度量方法\h能量科學(xué)的進(jìn)化\h能量，轉(zhuǎn)化，效率\h量化單位的必要性\h2生物圈中的能量：大自然的運(yùn)作方式\h太陽輻射及地球“退還”的能量\h空氣和水，能量運(yùn)動(dòng)的媒介\h地球的熱能，重塑地球的力量\h光合作用：反應(yīng)與速率\h異養(yǎng)生物的新陳代謝和位置移動(dòng)\h能量網(wǎng)與能量流，生態(tài)系統(tǒng)中的能量\h3人類歷史中的能量：肌肉、工具和機(jī)器\h人類的能量：食物、代謝、活動(dòng)\h覓食型社會(huì)：采集者、狩獵者、漁獵者\(yùn)h傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)與進(jìn)步\h生物質(zhì)燃料，熱與光之源\h工業(yè)化之前的城市：運(yùn)輸和制造\h機(jī)器的崛起\h4現(xiàn)代世界中的能量：化石燃料驅(qū)動(dòng)的文明\h煤，第一種化石燃料\h原油，開啟內(nèi)燃機(jī)時(shí)代\h石油與天然氣，主導(dǎo)這個(gè)時(shí)代的碳?xì)浠衔颸h電能，清潔能源的首選\h電能的兩大源頭\h能量與環(huán)境\h5日常生活中的能量：從膳食到電子郵件\h食物攝入：能量的延續(xù)與轉(zhuǎn)變\h家用能量：熱、光、運(yùn)動(dòng)和電子設(shè)備\h交通運(yùn)輸?shù)哪芰浚旱缆菲嚭突疖嘰h高飛遠(yuǎn)舉的強(qiáng)大能量：飛機(jī)\h隱含能量：商品的能量成本\h全球相互依存，能量的連鎖關(guān)系\h6未來的能量：趨勢和不可預(yù)測的未知\h能量需求，差異、轉(zhuǎn)變和局限\h可再生能源：生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、太陽能\h不可能的預(yù)測Energy（能量、能源）一詞與許多抽象的術(shù)語詞匯如hypothesis（假設(shè)）和sophrosyne（適度）一樣，是一個(gè)希臘語復(fù)合詞。亞里士多德在他的《形而上學(xué)》（Metaphysics）中創(chuàng)造了這一術(shù)語，他將εν\h\h(1)\h與?ργον\h\h(2)\h兩個(gè)詞組合成了εν?ργεια（即energeia\h\h(3)\h），并將這個(gè)詞與entelechia（完全的現(xiàn)實(shí)）關(guān)聯(lián)到了一起。亞里士多德認(rèn)為，維持萬物存在的是與其功能相關(guān)的energeia。因此，energein這個(gè)動(dòng)詞的意思就是“運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作、工作、變化”。在之后近2000年的時(shí)間里，由于在知識(shí)方面沒有獲得有價(jià)值的突破，所以這些定義也沒有得到完善，甚至很多現(xiàn)代科學(xué)的奠基人也對(duì)energy的概念存在誤解，最終導(dǎo)致這個(gè)術(shù)語在實(shí)際使用中與power和force產(chǎn)生了混淆。1748年，大衛(wèi)·休謨（DavidHume）在其所著的《人類理解研究》（AnEnquiryConcerningHumanUnderstanding）中抱怨道：“在形而上學(xué)中出現(xiàn)的概念里，最含混不清的莫過于power、force、energy、necessaryconnexion\h\h(4)\h等，這些概念都值得我們花費(fèi)很多精力來詳盡地加以研討。”1807年，托馬斯·楊（ThomasYoung）在英國皇家學(xué)會(huì)的一次演講中將energy定義為物體的質(zhì)量與其速度的平方的乘積。但是，這個(gè)公式并不準(zhǔn)確（質(zhì)量應(yīng)該減半），而且托馬斯·楊還將該術(shù)語限定為僅指動(dòng)能（機(jī)械能）。30多年后，成書于1842年的第七版《大不列顛百科全書》僅提供了一個(gè)非常簡短且不科學(xué)的詞條，其將energy描述為“事物的力量、優(yōu)點(diǎn)或功效，也可用于喻指加重語氣”。自那以后，或者說自休謨時(shí)代以來，這個(gè)單詞在流行用語中一直都沒有發(fā)生多大變化，變化的只有這個(gè)單詞被誤用的頻率。21世紀(jì)初，energy及其派生的動(dòng)詞energize（使活躍）和形容詞energetic（充滿活力的）已經(jīng)得到了廣泛的使用，并被廣泛用于指代各種生動(dòng)的、熱情的、有活力的行動(dòng)和經(jīng)歷，但人們?nèi)匀唤?jīng)常將energy與power和force混淆在一起。這方面的例子不勝枚舉，比如：apowerfulnewchairmanbringsfreshenergytoanoldcompany（一位強(qiáng)勢的新董事長為一家老公司帶來了新活力）；acrowdisenergizedbyaforcefulspeaker（一位鏗鏘有力的演講者激勵(lì)了人們）；pop-cultureisAmerica’ssoftpower（流行文化是美國的軟實(shí)力）。體適能（PhysicalFitness）\h\h(5)\h愛好者還要更進(jìn)一步，他們無視所有邏輯和科學(xué)證據(jù)，宣稱能通過嚴(yán)苛的持續(xù)鍛煉來讓自己充滿能量。他們實(shí)際上想表達(dá)的是鍛煉之后身體感覺更好，我們也能為其提供完全可以理解的解釋：長時(shí)間的鍛煉會(huì)促進(jìn)大腦中內(nèi)啡肽\h\h(6)\h的釋放，因此會(huì)使人感覺自己更加健康。長跑可能會(huì)讓你感到疲憊，甚至精疲力竭、歡欣鼓舞乃至極度興奮，但絕不會(huì)讓你感到充滿能量，也就是說，你身體儲(chǔ)存的能量不可能比你開始跑步之前更多。能量科學(xué)的進(jìn)化雖然草率地使用固有術(shù)語的情況已是難以改變的事實(shí)，但在信息類的文本中卻不允許使用定義不明的術(shù)語，而且這樣的傳統(tǒng)已經(jīng)延續(xù)了100多年。在19世紀(jì)末之前，能量方面的理論研究就已經(jīng)達(dá)到了一定程度的一致性和明確性。經(jīng)過幾代人的緩慢發(fā)展，西方知識(shí)分子的迅速增多和發(fā)明活動(dòng)的爆發(fā)為現(xiàn)代科學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，之后不久很多更為復(fù)雜的概念也得以發(fā)展。這些進(jìn)展之前的奠基性研究始于17世紀(jì)，并在18世紀(jì)取得了長足的進(jìn)步。在那期間有兩大進(jìn)步貢獻(xiàn)巨大：一是艾薩克·牛頓（IsaacNewton）的全面的物理學(xué)觀點(diǎn)；二是工程開發(fā)實(shí)驗(yàn)，尤其是詹姆斯·瓦特（JamesWatt）對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)（見圖1-1；另見圖4-2）。圖1-1詹姆斯·瓦特像對(duì)能量的現(xiàn)代理解的起源有很多，其中一大關(guān)鍵貢獻(xiàn)來自薩迪·卡諾（SadiCarnot）在19世紀(jì)早期的理論推演。這位年輕的法國工程師提出了適用于由熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的普適原則，并定義了理想（可逆的）熱機(jī)的最大效率。之后不久，現(xiàn)代化學(xué)和科學(xué)農(nóng)業(yè)的奠基人之一尤斯圖斯·馮·李比希（JustusvonLiebig）提出將二氧化碳和水的產(chǎn)生歸因于食物的氧化作用，從而基本正確地解釋了包括人類在內(nèi)的動(dòng)物的代謝過程。在現(xiàn)代物理學(xué)最基礎(chǔ)的定律中，有一條源自尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾（JuliusRobertVonMayer）的爪哇島之旅。這位年輕的德國物理學(xué)家在當(dāng)時(shí)是一位隨船醫(yī)生，他發(fā)現(xiàn)在爪哇島時(shí)給病人放的血\h\h(7)\h看起來要比在德國時(shí)明亮一些。邁爾對(duì)此已有一個(gè)現(xiàn)成的解釋：在熱帶地區(qū)，血液的氧化程度與在溫帶地區(qū)有所不同，因?yàn)樵诟鼫嘏牡胤剑眢w代謝所需的能量更少。這個(gè)解釋引導(dǎo)他想到了另一個(gè)關(guān)鍵問題：如果在熱帶地區(qū)人的身體因輻射而導(dǎo)致的熱量流失較少，那么由于身體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的熱量損失（即機(jī)械能消耗）呢？這個(gè)過程顯然會(huì)讓周圍的環(huán)境變熱，而且不論是在歐洲還是在亞洲的熱帶地區(qū)都一樣。除非我們能找到其他的來源，否則熱量也必然來自血液的氧化作用，因此熱量和機(jī)械能（如身體運(yùn)動(dòng)）必然是等價(jià)的，而且能以某個(gè)固定的速率相互轉(zhuǎn)化，能量守恒定律便由此開始形成。1842年，邁爾發(fā)表了對(duì)這種等價(jià)性的首個(gè)定量評(píng)估結(jié)果，并在3年后將能量守恒思想擴(kuò)展到了所有自然現(xiàn)象，包括電、光、磁。他還在兩個(gè)隔熱的氣缸之間進(jìn)行了氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并給出了該實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)計(jì)算過程。熱能和機(jī)械能的等價(jià)性的真正價(jià)值是由英國物理學(xué)家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（JamesPrescottJoule，見圖1-2）發(fā)現(xiàn)的，他為此做了大量精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。他首先通過由下落的重物驅(qū)動(dòng)的組裝旋轉(zhuǎn)輪葉來攪動(dòng)水，然后使用非常靈敏的溫度計(jì)來測量水的溫度，這樣他能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地測量攪動(dòng)過程所包含的機(jī)械能。1847年，焦耳通過費(fèi)心盡力的實(shí)驗(yàn)得到了一個(gè)與實(shí)際值相差不到1%的結(jié)果。能量守恒定律就此得到了初步驗(yàn)證，即能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失。現(xiàn)在這一定律通常被稱為熱力學(xué)第一定律。圖1-2詹姆斯·普雷斯科特·焦耳像1850年，德國理論物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolfClausius）發(fā)表了他的首篇關(guān)于熱動(dòng)說（themechanicaltheoryofheat）的論文。他在這篇論文中證明：使用卡諾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得的最大性能僅取決于儲(chǔ)熱物質(zhì)的溫度，而非物質(zhì)的性質(zhì)，因此熱量永遠(yuǎn)不會(huì)從冷的物體流向熱的物體。隨后，克勞修斯繼續(xù)完善了這一基本概念，并在其1865年的一篇論文中提出了entropy（熵）這一術(shù)語。entropy源自希臘語詞匯τροπ?（意為：轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)換、變換），克勞修斯將其用于度量封閉系統(tǒng)中的混亂程度。他還明確地提出了熱力學(xué)第二定律：宇宙的熵趨向于極大值。用常用的術(shù)語來說，這一定律是指：在沒有任何外部能量供應(yīng)的封閉系統(tǒng)中，可用的有用能量只會(huì)逐漸減少。煤是一種高質(zhì)量的、有序的（低熵）能量載體，燃燒煤會(huì)產(chǎn)生熱能，而熱能是一種疏散的、低質(zhì)量的、無序的（高熵）能量形式。這個(gè)順序是不可逆的：散出的熱能和釋放的可燃燒氣體永遠(yuǎn)無法重新聚合成煤。因此，熱能在能量層次結(jié)構(gòu)中居于一個(gè)非常獨(dú)特的位置，其他所有形式的能量都可以完全轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能永遠(yuǎn)無法完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，因?yàn)槌跏纪度氲臒崮苤兄挥幸徊糠挚梢赞D(zhuǎn)變成新形式的能量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，宇宙的整體趨勢是邁向熱寂和無序，這可能是所有概括宇宙的定律中最宏觀的一個(gè)，但同時(shí)也是大多數(shù)非科研人士仍然一無所知的定律。英國物理學(xué)家、政治家和小說家查爾斯·斯諾（CharlesSnow）在1959年的里德講座\h\h(8)\h“兩種文化與科學(xué)革命”（TheTwoCulturesandtheScientificRevolution）中對(duì)這種現(xiàn)實(shí)情況給出了如下這番經(jīng)典的描述：我曾經(jīng)參加過很多次這樣的聚會(huì)，按照傳統(tǒng)文化的標(biāo)準(zhǔn)來看，這些參加聚會(huì)的人士都是受過高等教育的，他們也常饒有興致地表達(dá)他們對(duì)科學(xué)家的智識(shí)水平的懷疑。我因此被激怒過一兩次，并且向他們提問有多少人能夠描述熱力學(xué)第二定律。我得到的回應(yīng)很冷淡，也沒人能描述，而這無異于我在科學(xué)領(lǐng)域提問：“你讀過莎士比亞的作品嗎？”盡管熱力學(xué)第二定律具有普適性，但生物體似乎總是在違背這一定律，生物個(gè)體的孕育和成長以及生物物種和生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化都會(huì)產(chǎn)生明顯的更有序、更復(fù)雜的生命形式。實(shí)際上，生物的存在與熱力學(xué)第二定律并不矛盾：熱力學(xué)第二定律僅適用于處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的封閉系統(tǒng)。地球的生物圈是一個(gè)開放的系統(tǒng)，其不斷吸收太陽能，并通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為新的植物體內(nèi)的能量，這些能量又會(huì)成為更大的有序系統(tǒng)和組織的基礎(chǔ)，這一過程是在向熵減小的方向發(fā)展。此外，還有熱力學(xué)第三定律，其最初成型于沃爾特·能斯特（WaltherNernst）于1906年提出的熱定理。該定理指出：所有過程只有在溫度接近絕對(duì)零度（–273℃）時(shí)才會(huì)終止，這時(shí)熵不再變化。20世紀(jì)的第一個(gè)10年迎來了熱力學(xué)第一定律的根本性擴(kuò)展。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦提出了一種理論：質(zhì)量本身就是能量的一種形式。E=mc2可能是這個(gè)世界上最著名的方程式了，其表達(dá)的意思是：物質(zhì)的能量等于其質(zhì)量乘以光速的平方。根據(jù)這一方程，4t物質(zhì)含有的能量就相當(dāng)于全世界全年的商用能量消耗，但物質(zhì)的這種驚人潛能仍然只是潛能，因?yàn)槲覀兩踔吝€無法將石灰石或水中的這些質(zhì)量能量釋放出來。但在商用能量方面，我們僅有一個(gè)途徑可以將相對(duì)較多（但仍然非常少）的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量，那就是核反應(yīng)堆。1kg鈾235的核裂變釋放的能量相當(dāng)于190t原油燃燒所釋放的能量。在這個(gè)過程中，核裂變?cè)系馁|(zhì)量只會(huì)減少1g，也就是其原質(zhì)量的千分之一。相對(duì)而言，1kg原油加上其燃燒所需的氧氣燃燒后其總質(zhì)量只會(huì)減少百億分之一，這減少的質(zhì)量甚至無法用儀器測量出來。能量方面的科學(xué)研究正如火如荼地進(jìn)行，在不到一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家們幾乎已經(jīng)完成了對(duì)能量現(xiàn)象的本質(zhì)的解釋。盡管已經(jīng)有了如此龐大且高度復(fù)雜的科學(xué)知識(shí)體系作為支撐，但要想透徹地理解能量的基本概念還存在一定的難度。相較于質(zhì)量或溫度等概念，想要用我們可以理解的方式來解釋能量的概念，其難度要大得多。20世紀(jì)最杰出的物理學(xué)家之一理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）1963年在其著名的《物理學(xué)講義》（LecturesOnPhysics）中就坦誠地說明了這一點(diǎn)：重要的是要認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)如今我們并不知道能量究竟是什么。我們并不能用一幅圖來說明能量是不是以定量的小塊形式出現(xiàn)的，因?yàn)槭聦?shí)并非如此。但是，現(xiàn)在有可用于計(jì)算某些數(shù)值的公式……然而，這些結(jié)果是很抽象的，無法告訴我們各個(gè)公式的機(jī)制或原理是什么。盡管對(duì)能量這一概念進(jìn)行解釋很困難，但我們還是要努力讓這個(gè)抽象概念變得更容易理解。能量，轉(zhuǎn)化，效率目前而言，對(duì)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(jī)械作用\h\h(9)\h，而應(yīng)從廣義的角度將其視為受影響的系統(tǒng)\h\h(10)\h中所有會(huì)導(dǎo)致變化\h\h(11)\h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(nèi)，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(gè)機(jī)械任務(wù)上施加力。但即便如此，你身體的新陳代謝仍在大量做功，因?yàn)閺南氖澄镏蝎@取的能量會(huì)為你的呼吸（吸入氧氣和呼出二氧化碳）提供動(dòng)力，將你的體溫保持在37℃左右，促進(jìn)血液循環(huán)，以及產(chǎn)生消化過程和神經(jīng)系統(tǒng)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(guān)鍵過程。當(dāng)你在努力思考一個(gè)抽象概念時(shí)，實(shí)際上你消耗的能量還會(huì)相對(duì)多一些，但是在你的大腦中，所有這些額外神經(jīng)連接的新增過程所需的能量其實(shí)微不足道。即使你在熟睡時(shí)，你的大腦所消耗的能量也會(huì)占據(jù)身體新陳代謝的20%左右，而對(duì)于非常費(fèi)神的腦力活動(dòng)而言，其消耗的能量也只比這一比例大一點(diǎn)點(diǎn)而已。另外，各種能量都會(huì)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(jī)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(chǎn)生的原因來自一大基礎(chǔ)物理現(xiàn)實(shí)：能量以多種形式存在，而且能以不同的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。從星系層面到亞原子層面，從生物演化的漫長時(shí)間到瞬息即逝的短暫時(shí)間，能量及其轉(zhuǎn)化過程存在于不同的時(shí)間和空間尺度上。閃電的做功過程持續(xù)時(shí)間不到一秒，但會(huì)照亮和加熱周圍的空氣，并分解氮?dú)夥肿樱谶@個(gè)過程中，云與云或云與地之間放電的電能轉(zhuǎn)化為電磁能、熱能和化學(xué)能。而集裝箱港口堆垛起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)則夜以繼日地做功，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和被裝載貨物的勢能。19世紀(jì)的物理學(xué)家認(rèn)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(xiàn)象的抽象的集合概念。這些現(xiàn)象最常見的形式有熱（熱能）、運(yùn)動(dòng)（動(dòng)能或機(jī)械能）、光（電磁能）以及燃料和食物中的化學(xué)能。其中某些能量之間的轉(zhuǎn)化是生命得以存在的基礎(chǔ)：光合作用會(huì)將光的一小部分電磁能變成細(xì)菌和植物的化學(xué)能，而烹飪和加熱則是將生物質(zhì)如木材、木炭、稻草或化石燃料如煤、石油、天然氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能（見表1-1）。另外，還有一些能量轉(zhuǎn)化過程給我們帶來了極大的便利：電池中化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)著數(shù)十億臺(tái)手機(jī)、音樂播放器和收音機(jī)。還有一些能量轉(zhuǎn)化則很罕見，例如，將電磁能轉(zhuǎn)化為核能的伽馬-中子反應(yīng)只會(huì)應(yīng)用在特定的科學(xué)和工業(yè)任務(wù)中。表1-1各種能量形式及其相互間的轉(zhuǎn)化方式所有運(yùn)動(dòng)的物體都有動(dòng)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?jiǎng)幽墚a(chǎn)生的效果，也能輕易地計(jì)算出動(dòng)能（Ek）的大小，因?yàn)樗扔谶\(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量（m）與其速度（v）的平方之積的一半，即。需要說明一點(diǎn)，由于物體的動(dòng)能與其速度的平方成正比，所以速度翻倍會(huì)導(dǎo)致動(dòng)能變成原來的4倍；而當(dāng)速度變?yōu)樵瓉淼?倍時(shí)，動(dòng)能則會(huì)變?yōu)樵瓉淼?倍。因此，當(dāng)速度很快時(shí)，即使很小的物體也可能變得非常危險(xiǎn)。速度超過80m/s（約為290km/h）的龍卷風(fēng)能將輕如鴻毛的稻草屑插入樹干；以8000m/s的速度飛行的太空碎片，比如一個(gè)丟失的螺栓，能夠穿透在太空行走的宇航員的加壓服；而以60000m/s的速度飛行的微流星體\h\h(12)\h足以摧毀一艘太空船。勢能源自物體或其結(jié)構(gòu)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(huì)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(shí)際應(yīng)用是水力發(fā)電，即讓蓄在大壩背后的水下落到渦輪機(jī)葉片上來產(chǎn)生電能。這種發(fā)電方式經(jīng)濟(jì)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(wěn)定的風(fēng)化了的石頭的重力勢能等于其高出地面的質(zhì)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Ep=mgh。彈性勢能是另一種勢能，扭動(dòng)而繃緊的發(fā)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(jìn)行存儲(chǔ)，而在發(fā)條線圈變回松弛狀態(tài)時(shí)，彈性勢能會(huì)被釋放并做有用功，比如驅(qū)動(dòng)鐘表或會(huì)動(dòng)的玩具。生物質(zhì)（biomass）\h\h(13)\h和由死后的生物體轉(zhuǎn)化而成的化石燃料中含有大量的化學(xué)能，這種能量保存在生物組織和燃料的化學(xué)鍵中，可以通過燃燒即快速氧化發(fā)生放熱反應(yīng)產(chǎn)生熱能。這個(gè)過程會(huì)形成新的化學(xué)鍵，生成二氧化碳，另外通常還會(huì)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(huì)產(chǎn)生水。熱能燃燒的熱能即比能（specificenergy）\h\h(14)\h等于初始反應(yīng)物中的鍵能與新形成的化合物中的鍵能的差。最差的燃料如濕泥煤、濕稻草燃燒所釋放的熱能還不到汽油或煤油燃燒所釋放熱能的1/3。通過在熱量計(jì)\h\h(15)\h中燃燒燃料、食物或其他任何可燃物質(zhì)的絕對(duì)干燥的樣品，可以確定這些物質(zhì)中的能量含量。除了燃燒，其他很多能量轉(zhuǎn)化過程都會(huì)產(chǎn)生熱能。核裂變產(chǎn)生的熱能常被用來發(fā)電，電流流過電阻時(shí)產(chǎn)生的熱能常被用來烹煮食物、燒水或室內(nèi)取暖。另外，摩擦也會(huì)產(chǎn)生很多我們不想要卻無法避免的熱能，比如在汽車變速箱中產(chǎn)生的熱能以及汽車輪胎和道路之間摩擦所產(chǎn)生的熱能。熱能產(chǎn)生之后會(huì)進(jìn)行傳遞，而傳遞的方式有三種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳導(dǎo)是通過分子之間的直接接觸實(shí)現(xiàn)的，最常見于固體之間；熱對(duì)流是指熱能通過運(yùn)動(dòng)的液體或氣體傳遞；熱輻射則是指當(dāng)物體的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)會(huì)發(fā)出電磁波。地球表面、植物、建筑物和人在環(huán)境溫度中會(huì)產(chǎn)生不可見的紅外輻射，而超過1200℃的高溫物體則會(huì)以可見光的形式輻射熱能，比如燈泡中盤繞的鎢絲、電弧爐中的鋼水以及遙遠(yuǎn)的恒星等。潛熱（latentheat）是指在沒有溫度變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)物理狀態(tài)的某種變化所需的能量。例如，將100℃的水變成水蒸氣所需的能量（蒸發(fā)的潛熱）剛好比0℃的冰變成水所需的能量多6.75倍。對(duì)水進(jìn)行加熱時(shí)，燃料的總熱值\h\h(16)\h（即高位熱值）減去其凈熱值（即低位熱值）的差的大部分都會(huì)被水吸收。高位熱值是指一定量的燃料完全燃燒所生成的水蒸氣完全冷凝為液態(tài)時(shí)所釋放的總能量，其中包含汽化的熱能；低位熱值則要在此基礎(chǔ)上減去燃燒過程中生成的水汽化所需的能量。焦炭的這兩種熱值相差約1%，因?yàn)榻固炕旧暇褪羌兲迹淙紵龝r(shí)只生成二氧化碳；天然氣的這兩種熱值相差約10%；純氫氣燃燒只會(huì)生成水，它的這兩種熱值相差近20%；新鮮木材（濕木材）含有的水分過多，有些含水量甚至超過75%，因此，燃燒這類木材時(shí)釋放的大部分熱能都會(huì)被用來蒸發(fā)水，而不是使房間變暖，而且，如果濕木材中的水分含量超過67%，那么根本就無法被點(diǎn)燃。能量的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化過程的效率不同。有的能量轉(zhuǎn)化過程效率極低，如光合作用：在每年射向農(nóng)田的太陽能輻射中，即使最高產(chǎn)的農(nóng)作物也只能將其中4%～5%的能量轉(zhuǎn)化為新的植物量，而全球年平均光合作用效率僅為0.3%，因?yàn)楹芏嘀参锍Ｊ艿降蜏鼗蛉狈λ值葐栴}的影響。如果將初始輸入限定為光合有效輻射（photosyntheticallyactiveradiation）\h\h(17)\h，則有用的能量傳遞效率會(huì)翻一倍，但在全球范圍內(nèi)，這一數(shù)值仍然低于1%。低效的能量轉(zhuǎn)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(huì)被轉(zhuǎn)化為人們所需的服務(wù)或產(chǎn)品，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在這個(gè)過程中能量不會(huì)消失，而熱力學(xué)第二定律則表明這些輻射中的很大一部分能量最終會(huì)變成無用的分散的熱能。相比之下，能量轉(zhuǎn)化效率超過90%的過程、設(shè)備和機(jī)器也不少。沿踢腳板鋪設(shè)的電阻式加熱器能以100%的效率將電能轉(zhuǎn)化為熱能；膳食均衡的健康人類能以高達(dá)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(xué)能轉(zhuǎn)化為房間中的熱能；大型電動(dòng)機(jī)能將超過95%的電能轉(zhuǎn)化為快速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能；熱力發(fā)電站中的巨型渦輪機(jī)更是能以高達(dá)99%的效率將在磁場中旋轉(zhuǎn)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。從離我們最近的恒星發(fā)出的刺眼光線到從故障核反應(yīng)堆逸出的難以察覺卻致命的電離輻射，從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫燃燒到在環(huán)境溫度和壓力下發(fā)生的復(fù)雜精妙的酶促反應(yīng)，能量有著千差萬別的表現(xiàn)形式。盡管如此，所有的能量現(xiàn)象的量化都可借助少量通用單位來實(shí)現(xiàn)。雖然世界各地的人們?cè)谌粘Ｉ钪幸廊粫?huì)用傳統(tǒng)方式度量能量，但現(xiàn)代科學(xué)和工程學(xué)所應(yīng)用的度量指標(biāo)都是基于1960年啟用的國際單位制\h\h(18)\h。本書只會(huì)使用適當(dāng)?shù)膰H單位制單位，本章后半部分會(huì)給出本書所用單位的完整列表以及用來表示倍數(shù)和分?jǐn)?shù)的詞頭。量化單位的必要性國際單位制指定了7種基本的計(jì)量單位：長度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強(qiáng)度。其單位既直接用于度量這7種常見的變量，也用于推導(dǎo)衍生出更復(fù)雜的計(jì)量單位，包括一些日常生活中會(huì)用到的相對(duì)簡單的單位，比如面積、體積、密度、速度、壓力，以及科學(xué)和工程領(lǐng)域會(huì)用到的更復(fù)雜的概念，比如力、壓力、能量、電容量、光通量。對(duì)于能量領(lǐng)域反復(fù)出現(xiàn)的單位，只需質(zhì)量（M）、長度（L）和時(shí)間（T）3個(gè)基本量就能推導(dǎo)衍生出來。很顯然，面積為L2，體積為L3，質(zhì)量密度為M/L3，速度為L/T，加速度（單位時(shí)間內(nèi)速度的變化）為L/T2。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，力等于質(zhì)量乘以加速度，所以力為ML/T2。當(dāng)在一段距離上施加力時(shí)，由于會(huì)做功，所以會(huì)消耗能量，因此，衡量能量大小的公式為ML2/T2。功率（power）的科學(xué)定義很簡單，即能量的使用率：功率等于單位時(shí)間所用的能量，即ML2/T3。功率這一術(shù)語常被誤用，甚至在工程學(xué)期刊中也常常出現(xiàn)這種問題。比如在英語中，power既可以指功率，也常被用來表示電力，比如發(fā)電廠的英語表述是powergeneratingplant，直譯為“生產(chǎn)功率的工廠”，但實(shí)際上發(fā)電廠產(chǎn)生的是電能，并且其產(chǎn)生電能的速率會(huì)根據(jù)工業(yè)、商業(yè)和家庭用電的需求而變化，然后工業(yè)、商業(yè)和家庭用戶再將這些電能轉(zhuǎn)化為所需的動(dòng)能（由電動(dòng)機(jī)提供）、熱能（用于工業(yè)爐、熱處理和家庭加熱）和電磁能（比如用于照明的可見光）。而且很顯然，就算你知道某臺(tái)機(jī)器的額定功率，如果你不知道它會(huì)運(yùn)行多長時(shí)間，你就無法知道它將使用多少能量。人們都熟知長度、質(zhì)量和時(shí)間這3種國際單位制單位，它們分別用米（m）、千克（kg）和秒（s）來表示。但在度量溫度時(shí)，我們使用的國際單位制單位不是常見的攝氏度（℃），而是開氏度（K，也稱“開爾文”，簡稱“開”）。另外，電流的單位是安培（A，簡稱“安”）；物質(zhì)的量的單位是摩爾（mol，簡稱“摩”）；發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（cd，簡稱“坎”）（見表1-2）。至少有20個(gè)導(dǎo)出單位（包括所有與能量相關(guān)的單位）有自己特定的名稱和符號(hào)，其中很多都是為了紀(jì)念開拓相關(guān)研究方向的科學(xué)家和工程師而命名的。力的單位kg·m/s2被稱為牛頓（N，簡稱“?！保菏┘?N的力可以將質(zhì)量為1kg的物體的速度增加1m/s。能量的單位kg·m2/s2被稱為焦耳（J，簡稱“焦”）：1J等于1N的力持續(xù)作用1m的距離所使用的能量。功率簡單來說就是單位時(shí)間的能量流動(dòng)（kg·m2/s3），這個(gè)度量稱為瓦特（W，簡稱“瓦”）：1W等于1J/s，反過來能量就等于功率乘以時(shí)間，因此1J就等于1W·s。表1-2國際單位制的基本單位最能揭示能量特殊性質(zhì)的度量是功率密度，功率密度的單位是W/m2。這個(gè)度量單位是國際單位制的一個(gè)導(dǎo)出單位，在某些特定的情況中也被稱為熱通量密度或輻照度，單位面積功率這一概念顯然普遍適用于任意能量流，不管是獲取食物，還是人口密集的市區(qū)的平均電力需求。功率密度度量的分母可以是地球的表面積、建筑物的占地面積或其他任何水平區(qū)域的面積。入射的太陽輻射的功率密度決定了生物圈的能量流動(dòng)；家用能源的功率密度決定了燃料和電力的輸入速度。在某些情況下，計(jì)算垂直方向上能量流動(dòng)的功率密度也很有意義，尤其是在強(qiáng)風(fēng)、洪水和海嘯等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，垂直方向的單位面積上都會(huì)被施加巨大的力，這些力會(huì)對(duì)植被和建筑物進(jìn)行沖擊并造成巨大的破壞，2004年12月26日發(fā)生的印度洋海嘯就是其中的典型案例。在理解這些能量和功率單位的大小時(shí)，也許最簡單的方法是通過重力加速度來理解：地球表面的重力加速度約為9.81m/s2，我們把它四舍五入到10（增幅不到2%）以讓下面的計(jì)算更簡單。如果你將一個(gè)質(zhì)量為1kg的物體抬高到離地面1m的高度，比如將一瓶1L的水放在大約手肘的高度，那么它會(huì)受到10N方向向下的重力。如果是質(zhì)量為這個(gè)瓶子1/10的物體，比如質(zhì)量為0.1kg的橘子，那么它會(huì)受到1N的重力。因此，將這個(gè)橘子從廚房地板上撿起來放在離地板約1m高的廚臺(tái)上需要消耗1J的能量，如果你用約1s的時(shí)間完成這個(gè)動(dòng)作，那么你消耗能量的速率就是1W。能量和功率的量級(jí)基本的能量和功率單位實(shí)際上僅能代表非常小的量和速率。一顆鷹嘴豆包含5000J化學(xué)能；一只小田鼠每天至少需要50000J能量來維持生存。一輛本田思域轎車裝滿汽油的油箱中包含大約1250000000J能量，而它每行駛100km都會(huì)消耗約8L燃料，換算下來平均功率大約為40000W。強(qiáng)雷雨天氣中的大風(fēng)在1h內(nèi)釋放出的能量可超過100000000000000J，因此其功率超過25000000000W。由于J、W等這些基礎(chǔ)單位很小，所以需要為這些單位添加特定的詞頭，這樣一來就不用總是寫一長串零或不斷使用科學(xué)記數(shù)法（10n）。能量領(lǐng)域不僅經(jīng)常用到“千（k，103）”和“兆\h\h(19)\h（M，106）”，而且還會(huì)用到更高的倍數(shù)：如吉［咖］（G\h\h(20)\h，109）、太［拉］（T，1012）、拍［它］（P，1015）、艾［可薩］（E，1018）。1991年國際單位制還增加了更大的詞頭：澤［它］（Z，1021）和堯［它］（Y，1024）（見表1-3）。表1-3SI詞頭在量化能量時(shí)，兆、吉和千是最常用的倍數(shù)，如MJ、GJ、kW·h；在量化功率時(shí)，也最常使用千、兆、吉，如kW、MW、GW。燃料的凈能量高低不等，自然風(fēng)干的秸稈能量較低（含有約20%水分），含有的能量僅為7MJ/kg（或GJ/t）；能量較高的汽油含有的能量較高，為44MJ/kg。食物的總能量也有多有少，這由生物實(shí)際所能消化的食物比例所決定，葉類蔬菜含有的能量較低，不超過1MJ/kg，而純脂肪含有的能量接近40MJ/kg，表1-4列出了一些常見燃料的平均能量含量的范圍。1000瓦時(shí)等于360萬瓦秒，又等于1千瓦時(shí)（kW·h），這個(gè)單位常用于度量用電量以及電價(jià)：美國家庭每個(gè)月的平均用電量為1000kW·h（1MW·h），大致相當(dāng)于14只100W的燈泡日夜不停照明30天所需的電量。表1-4各種常見燃料的平均能量含量范圍功率方面，從咖啡研磨機(jī)到咖啡機(jī)等各種廚房小電器的功率大都在50～500W；超小型轎車如豐田Echo和緊湊型轎車如本田思域的功率范圍為50～95kW；豐田凱美瑞和本田雅閣等大型轎車的功率范圍為95～150kW；蒸汽驅(qū)動(dòng)或水力驅(qū)動(dòng)的大型渦輪發(fā)電機(jī)的輸出功率為500～800MW。在世界上最大的化石燃料發(fā)電廠中，多個(gè)發(fā)電機(jī)組能以超過2GW的功率輸出電力。中國的三峽工程是世界上規(guī)模最大的水電站，其安裝的32臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)的總裝機(jī)容量為22.5GW。在功率密度方面，常見的參考指標(biāo)包括到達(dá)地面的太陽輻射總量（平均約為170W/m2）和大城市市區(qū)輻射的熱能（城市熱島效應(yīng)，通常超過50W/m2）。而對(duì)于垂直方向上的功率密度，建造優(yōu)良的建筑物的能量通量不應(yīng)低于18kW/m2；強(qiáng)龍卷風(fēng)能以超過100W/m2的功率密度發(fā)動(dòng)襲擊，海嘯的破壞力還要更強(qiáng)。有時(shí)候，我們也需要通過分?jǐn)?shù)來標(biāo)記功率和能量的大小，其中最常用的有毫（m\h\h(21)\h，10-3）、微（μ，10-6）、納［諾］（n，10-9）（見表1-5）。寫作本書時(shí)，我每次敲擊鍵盤都會(huì)消耗2mJ的動(dòng)能；草葉上掛著的2mm長的露珠具有4μJ的勢能；一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量能量為0.15nJ。在功率方面，只讀式光盤驅(qū)動(dòng)器中激光器的工作功率為5mW，石英表的功率約為1μW，跳蚤跳躍時(shí)的功率在100nW左右。表1-5分?jǐn)?shù)有必要重申的是：功率不能說明所涉及的過程的能量總消耗量或總釋放量。巨型閃電的功率可達(dá)到1013W這一數(shù)量級(jí)，與整個(gè)地球的地?zé)崃飨喈?dāng)，但是閃電總是轉(zhuǎn)瞬即逝，持續(xù)時(shí)間通常在毫秒級(jí)，而地?zé)崃髯缘厍蛐纬梢詠砭蛷膩聿婚g斷，至今大約已持續(xù)了45億年。類似地，如果你是一位體重50kg的女性，那么在你的一生中你的基礎(chǔ)代謝會(huì)以大約60W的功率不間斷地持續(xù)進(jìn)行，將你攝入的食物轉(zhuǎn)化為用于生長和活動(dòng)的能量形式，這個(gè)功率較小，與間或打開幾小時(shí)的電燈差不多。當(dāng)然，到達(dá)地球的太陽輻射是地球上最強(qiáng)勁的持續(xù)能量流，其持續(xù)功率高達(dá)1.7×1017W（即170PW）。這種持續(xù)輸入的能量限定了地球上大多數(shù)自然過程的極限，而地?zé)崮芘c地球引力則限定了其余的自然過程，由此造就了地球這適宜生命生存的特性。相比而言，2005年全球化石燃料總消耗量經(jīng)換算后的功率還不到12TW，僅相當(dāng)于輸送到地球的太陽能的0.007%。非國際單位制單位在使用英語的國家和地區(qū)，所有國際單位制的標(biāo)準(zhǔn)單位都有對(duì)應(yīng)的英制單位，而且現(xiàn)在仍有許多工匠和工程師在使用這些單位。燃料的能量含量仍然用“英熱單位”（Btu）表示，1Btu=1055J。機(jī)器工作時(shí)常用的能量單位是“英尺磅力”（ft·1bf）：1ft·1bf=1.355818J。汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)等的常用功率單位是“馬力”（hp）：1hp=745W。還有用“磅力”（1bf）來作為力的單位的情況：1bf=4.45N。另外，還有一個(gè)不是從7種基本度量中衍生出來的非國際單位制單位：卡路里（cal，簡稱“卡”）。1cal等于將1g水從14.5℃加熱到15.5℃所需的熱量。這是一個(gè)很小的能量單位：1cal=4.18J，所以通常我們都使用其千倍單位千卡（kcal）。一位身體質(zhì)量指數(shù)\h\h(22)\h在最佳范圍內(nèi)的活躍的健康成年男性每天都需要含有大約2500kcal（即2.5Mcal或10.5MJ）能量的食物。但是，營養(yǎng)學(xué)家們卻沒有使用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)詞頭，而是開始使用Cal（大卡）來表示千卡（kcal），由于人們經(jīng)常錯(cuò)誤地使用首字母小寫的cal而不是首字母大寫的Cal，所以很多人分不清楚這兩者。例如，可能有朋友告訴你每天只需吃2500cal的食物就夠了。實(shí)際上，這點(diǎn)能量還不夠喂飽一只20g的小老鼠，就算這只老鼠24h躺著不動(dòng)，它每天的基礎(chǔ)代謝也需要約3800cal（近16KJ）的能量。相比而言，一位體重為70kg的健康成年男性每天基礎(chǔ)代謝需要約7.1MJ能量，其他活動(dòng)還會(huì)進(jìn)一步增加能量消耗，從久坐不動(dòng)到參加長時(shí)間重體力勞動(dòng)和耐力運(yùn)動(dòng)，能量消耗的增加比例從20%到100%不等。再來看電，電流是指電子在導(dǎo)體中的流動(dòng)，通常用I表示，單位是安培（A，簡稱“安”）。這個(gè)單位是為了紀(jì)念法國數(shù)學(xué)家安德烈·馬利·安培（AndréMarieAmpère）而設(shè)定的，他是現(xiàn)代電動(dòng)力學(xué)的奠基人之一。另外，我們也常用電壓（U）來描述電，電壓的單位是伏特（V，簡稱“伏”），得名于一位早期電學(xué)實(shí)驗(yàn)家及電池的發(fā)明者亞歷山德羅·伏特（AlessandroVolta）。伏特是一個(gè)導(dǎo)出單位（V=W/A），可用來描述電勢（φ）和電勢差（即電壓），比如電池的正極和負(fù)極之間的電勢差。電流遇到的阻力稱為電阻（R），單位是歐姆（Ω，簡稱“歐”），電阻的大小取決于材料的導(dǎo)電能力與尺寸大小。銅的導(dǎo)電能力比純鋁高出70%左右，而純鋁的導(dǎo)電能力又比純鐵強(qiáng)3倍以上，另外，細(xì)長電線的電阻比粗短電線的電阻更大，但是鋁合金要比純銅便宜很多，因此長距離高壓輸電線路使用的是鋁合金電線，而非銅線。電流可分為直流電（DC）和交流電（AC）兩種。直流電中的電子僅沿一個(gè)方向移動(dòng)，而交流電中的電子則會(huì)以固定周期不斷地改變其大小和方向。在北美洲，電流每秒改變方向120次（每秒循環(huán)60次）；在歐洲，電流則每秒改變方向100次。得名于德國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家格奧爾格·西蒙·歐姆（GeorgSimonOhm）的歐姆定律給出了直流電路中電壓與電阻和電流之間的線性關(guān)系（U=IR）。在交流電的相關(guān)計(jì)算中，這條定律需要修正，因?yàn)榻涣麟娭羞€存在電抗（X）。其中，交流電電流在線圈中遇到的阻礙稱為感抗（XL），在電容器中遇到的阻礙稱為容抗（XC）。電抗與電阻合起來稱為阻抗（Z），單位也是Ω，則修正后的歐姆定律即為：I=U/Z。不過，即使在計(jì)算電燈等普通家用電器的數(shù)據(jù)時(shí)使用的是未經(jīng)調(diào)整的歐姆定律，結(jié)果也不會(huì)有明顯差異。這一定律對(duì)電的傳輸和安全用電都具有深遠(yuǎn)的影響。電擊和觸電的風(fēng)險(xiǎn)首先取決于穿過人體的電流的大小，根據(jù)歐姆定律I=U/R，這意味著對(duì)于任意給定電壓（北美和歐洲的家用電電壓分別為120V和230V），當(dāng)電阻更高時(shí)，電流就會(huì)更小。干燥皮膚的電阻超過500kΩ，可將電流降至僅幾毫安的無害水平。相比而言，當(dāng)皮膚浸濕時(shí)，電阻會(huì)低很多，僅1kΩ，足以傳導(dǎo)100～300mA的電流，這樣大小的電流是致命的，可能導(dǎo)致心室纖顫和死亡。對(duì)于健康的成年人來說，如果干燥的手意外觸碰了120V的電線，基本不會(huì)有性命危險(xiǎn)；但如果在潮濕的夏日，赤腳站在地面上用汗?jié)竦氖置@樣的電線，即使電壓只有120V，情況也會(huì)完全不同。直流電與交流電由于功率是電流和電壓的乘積，而電壓等于電流乘以電阻，所以功率就等于I2R，也就是說電流和電阻共同決定了電器的功率。例如，白熾燈需要較高的電阻（約140Ω）才能發(fā)出白光，而烤面包機(jī)的電阻相對(duì)較低（約15Ω），如果烤面包機(jī)的電阻與白熾燈一樣，那么面包會(huì)被燒為灰燼；因而烤面包機(jī)的電阻只能微微發(fā)出一點(diǎn)紅光。但一個(gè)燈泡僅需要100W，所以電流大概是0.8A；相比之下，烤面包機(jī)的功率高達(dá)800W，所以需要超過7A的電流。I2R還意味著如果使用高100倍的電壓傳輸同樣的功率，那么電流的大小可以降低99%，并減少同樣數(shù)量的電阻功率損失。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，所有的現(xiàn)代電網(wǎng)不管是長距離輸電還是向家庭供電，都使用交流電。不過由托馬斯·愛迪生（ThomasEdison）于19世紀(jì)80年代初期設(shè)計(jì)的最早的電網(wǎng)傳輸?shù)膮s是直流電，其電壓要么必須與電燈或電動(dòng)機(jī)等負(fù)載匹配，要么就必須通過一個(gè)串聯(lián)的轉(zhuǎn)換器或占用差額電壓的電阻的方式將電壓降至所需水平。為了減少直流電的傳輸損耗，我們可以相應(yīng)地提高電壓和降低電流，但這會(huì)導(dǎo)致家庭和工廠中的負(fù)載電壓過高，因此也很危險(xiǎn)。相對(duì)而言，交流電在長距離輸電時(shí)可以通過高電壓來盡可能地降低損耗，而在需要時(shí)又可以通過變壓器將其降至可接受的低電壓。愛迪生在1890年之前一直反對(duì)采用交流電，而且還積極領(lǐng)導(dǎo)過反對(duì)交流電的運(yùn)動(dòng)。19世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)了一系列有利于交流電發(fā)展的創(chuàng)新，包括可靠的變壓器、交流電電動(dòng)機(jī)和儀表，以及直流交流轉(zhuǎn)換器，其中，直流交流轉(zhuǎn)換器可讓已有的直流電電站和電網(wǎng)連接到高壓交流電線路。這些創(chuàng)新決定了直流電與交流電之爭的結(jié)果，到1890年，這場輸電方式之爭已經(jīng)基本畫上了句號(hào)，雖然某些直流電電網(wǎng)一直存續(xù)到了第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，但很明顯未來是屬于交流電的。不過我們周圍的用電設(shè)備中流動(dòng)的電力很多都是直流電，這些直流電要么是通過轉(zhuǎn)換交流電得到的，要么是由電池提供的。直流電電動(dòng)機(jī)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，也就是說能以較高的力矩進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此是電力機(jī)車的最佳選擇。電力機(jī)車的能量供應(yīng)來自它們上方的交流電線路，機(jī)載轉(zhuǎn)換器會(huì)將這些交流電轉(zhuǎn)換為直流電。計(jì)算機(jī)也能夠使用轉(zhuǎn)換器來提供直流電，其中為數(shù)字電路提供的直流電的電壓最高為5V，而為磁盤驅(qū)動(dòng)器提供的直流電電壓則超過10V。各種各樣的電池能為各種便攜式設(shè)備提供直流電。電池通常設(shè)計(jì)緊湊，可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前最常見的電池之一是大型可充電鉛酸電池，全世界數(shù)以億計(jì)的汽車中都有它的身影。鉛酸電池能供應(yīng)12V的電力，其包含6個(gè)鉛酸電池單格；每個(gè)單格的陰極（正電極）是鉛，陽極（負(fù)電極）是由氧化鉛包覆的鉛，兩者之間充滿硫酸。汽車電池不僅要為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，而且還要為很多小型直流電電動(dòng)機(jī)供電，以讓它們完成一些以前需要手動(dòng)完成的任務(wù)，比如開窗、調(diào)整后視鏡、鎖上車門等。另一種常用的電池是一類小型圓柱形電池，我們能在很多玩具、手電筒、收音機(jī)、電視遙控器和音樂播放器中找到它們。根本而言，這類電池都是在喬治·萊克蘭奇（GeorgesLeclanché）于19世紀(jì)60年代發(fā)明的碳鋅電池的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。萊克蘭奇最早發(fā)明的電池使用了濕的電解液，我們熟悉的干電池則使用的是經(jīng)過改進(jìn)的微酸性的糊狀電解質(zhì)。1959年，勁量（Energizer）公司推出了一種堿性電池，其中使用了氫氧化鉀電解液，并用二氧化錳代替了傳統(tǒng)的碳（石墨）陰極。所有圓柱形電池的負(fù)極都是一塊扁平的金屬底板，正極則是一個(gè)凸起的金屬帽。最常見的圓柱形電池有手電筒用的D型電池，即1號(hào)電池，還有許多電子產(chǎn)品使用的手指大小的AA電池，即5號(hào)電池。這些小型圓柱形電池都能以2600mA/h的電流速率提供1.5V的電壓，而且可以存儲(chǔ)相對(duì)較長的時(shí)間，但是它們提供的電壓會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而下降。除此之外，還有很多其他不同類型的電池，包括筆記本電腦使用的6～16V的細(xì)長方柱型鋰離子電池，以及為助聽器和手表供電的1.5V微型氧化銀紐扣電池?，F(xiàn)在，我們對(duì)能量的概念和度量方法已經(jīng)有了基本的理解。接下來，我們將從系統(tǒng)性的視角循序漸進(jìn)地介紹自然界、歷史和現(xiàn)代社會(huì)中的能量。如果沒有太陽，地球上就不會(huì)有生命，但實(shí)際上在圍繞恒星旋轉(zhuǎn)的行星上很難形成生物圈。地球上的生物圈是地球上一層很薄的空間范圍，生命在此生存和進(jìn)化。人類發(fā)送到火星的探測器未能找到任何生命存在過的證據(jù)，另一顆與地球相鄰的行星——金星又太熱了，更別說太陽系中的其他行星了，它們更不適宜我們已知的唯一一種生命形式碳基生物的生存，碳基生物會(huì)在核酸中為自己復(fù)雜的繁殖和生存程序進(jìn)行編碼，并借助酶來進(jìn)行新陳代謝。盡管人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多太陽系以外的行星，即圍繞其他恒星運(yùn)行的行星，但沒有任何跡象表明它們適宜生命生存，這些行星中大部分都太大了。盡管人類已經(jīng)投入了大量資源來聆聽宇宙的聲音，但我們只能“聽”到圍繞熾熱恒星的電離態(tài)星際氣體發(fā)出的無線電波，而尚未接收到來自任何其他生命形式的信號(hào)。從嚴(yán)格的能量角度來看，這其實(shí)不足為奇。生命需要的不只是一顆有行星環(huán)繞的恒星，要知道僅是銀河系就擁有幾千億顆恒星，行星的數(shù)量自然也非常龐大。生命需要的是一顆恰到好處的恒星：不太大也不太小，不太冷也不太熱。過于龐大的恒星無法穩(wěn)定地存在足夠長的時(shí)間，也就無法為行星提供數(shù)十億年的時(shí)間（地球就用了這么長的時(shí)間）來讓其演化出復(fù)雜的生命形態(tài)。相對(duì)較小的恒星的壽命很長，但是光照強(qiáng)度不夠，無法為環(huán)繞它們運(yùn)行的行星提供足夠的能量。除了一顆恰到好處的恒星，生命的出現(xiàn)還需要一個(gè)恰到好處的行星，不能像火星那樣遠(yuǎn)而讓行星上的水都凍結(jié)成冰，也不像金星那樣近而導(dǎo)致水全部汽化。這還僅僅是一個(gè)開始，要讓一顆行星適宜生命存在，即使是最簡單的生命，也必須滿足大量的先決條件。為了說明這一點(diǎn)，最佳的方法是用控制變量法來想象一下：如果只改變一項(xiàng)影響輸入地球的太陽能的因素，而保持其他影響因素不變，情況會(huì)如何變化？比如，如果重力變?yōu)樵瓉淼膬杀稌?huì)如何？如果地球的軌道比原有的接近圓形的軌道更偏心會(huì)如何？如果地球的旋轉(zhuǎn)軸不傾斜會(huì)如何？如果地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間不是24小時(shí)而是240小時(shí)會(huì)如何？如果地球表面有90%的陸地而非30%會(huì)如何？如果地球大氣中沒有水蒸氣和僅占0.038%的二氧化碳會(huì)如何？關(guān)于這些問題的答案，你可以猜猜看，反正這些都是對(duì)于生命來說不希望發(fā)生的情況。這里簡單地給出最后一個(gè)“如果”的答案：地球上不會(huì)有生命存在。地球的大氣層不但能讓太陽輻射中除了波長最短的電磁波之外的電磁波到達(dá)地球表面，對(duì)地球進(jìn)行“加熱”，而且還會(huì)暫時(shí)吸收部分長波輻射（見圖2-1）。地球如果沒有這樣的吸收能力，就會(huì)成為一個(gè)完美的黑體輻射體，它會(huì)將其接收的所有太陽能輻射出去，讓自身維持在255K（-18℃）的溫度，在這一溫度下，水會(huì)長期處于冰凍狀態(tài)，也就不可能孕育出生命。大氣中的氣體會(huì)選擇性地吸收部分太陽能，然后再向周圍輻射出去，這會(huì)改變行星的平均輻射溫度，這正是金星太熱而火星又太冷的原因。在地球上，這種“溫室效應(yīng)”剛好與復(fù)雜生命形式的演化和多樣化相適應(yīng)，因?yàn)檫@種效應(yīng)將地表的平均溫度提升了33K，達(dá)到了288K（15℃）。這個(gè)溫度差不多就是溫帶地區(qū)宜人的春天的溫度，使得地球上超過2/3的地表都被水覆蓋，同時(shí)，水還大量存在于土壤和空氣中，并且水也占據(jù)了活體生物平均體重的2/3，在某些生物中水的比重甚至更大，比如，綠色植物組織中水占95%，浮游植物中水的含量則高達(dá)99%。圖2-1射入地球的太陽幅射的去處到達(dá)地球的太陽能有著不同的命運(yùn)：一部分會(huì)返回太空，另一部分則由地球吸收并轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，這樣的能量流動(dòng)決定了地球氣候的變化及其多樣化。在了解了這一點(diǎn)之后，我們?cè)賮砜纯吹厍蛏衔ㄒ灰环N不是來自太陽的重要能源：地?zé)崮?。地?zé)崮苁腔诘厍驑?gòu)造形成的能量來源，比如，地球上的陸地和海洋不斷發(fā)生變遷，甚至還會(huì)引發(fā)一些地球上最為劇烈的自然現(xiàn)象，如火山爆發(fā)、地震和海嘯。盡管生物的多樣性令人驚嘆，但生物的基本代謝路徑的數(shù)量卻相對(duì)較少，即生物僅能以少量方式用可用的能量將簡單輸入的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。自養(yǎng)生物\h\h(23)\h有兩種不同的生產(chǎn)生物質(zhì)的方法，一種是光自養(yǎng)生物可將電磁能轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷（ATP）\h\h(24)\h中的高能磷酸鍵，然后再使用這種能量將大氣中的二氧化碳和土壤中的宏量營養(yǎng)素（如氮、磷、鉀等）和微量營養(yǎng)素（如鐵、鈣、硅等）合成新的生物質(zhì)（植物量）。光自養(yǎng)生物包括陸生植物、藻類、浮游植物、藍(lán)細(xì)菌、綠硫細(xì)菌和紫硫細(xì)菌。另一種合成生物質(zhì)的方法則不需要光，只需要二氧化碳、氧氣以及某種可氧化的元素（如氫、鐵）或簡單無機(jī)化合物（如硫化氫、氨）。使用這種方法合成生物質(zhì)的生物被稱為化學(xué)自養(yǎng)生物，包括硝化細(xì)菌\h\h(25)\h、鐵細(xì)菌、無色硫細(xì)菌和產(chǎn)甲烷微生物?；瘜W(xué)自養(yǎng)生物的代謝過程不是很明顯，但對(duì)生物圈的生物、地質(zhì)和化學(xué)循環(huán)（生物、地理、化學(xué)循環(huán)）而言卻是必不可少的。異養(yǎng)生物也稱“化學(xué)異養(yǎng)生物”，指的是不能用簡單無機(jī)輸入物合成新生物質(zhì)的生物，它們必須靠消化有機(jī)化合物來獲取組成自身的物質(zhì)。這類生物包含大多數(shù)細(xì)菌、真菌和動(dòng)物。異養(yǎng)生物主要分為4大類別：初級(jí)消費(fèi)者（植食生物）、二級(jí)及更高級(jí)消費(fèi)者（肉食生物）、消費(fèi)死亡和腐爛生物質(zhì)的生物（食腐生物），以及采用以上所有進(jìn)食策略的生物（雜食生物）?，F(xiàn)代能量研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，植物和動(dòng)物的代謝方式存在很大的共性，而且還有很多引人注目的趨利避害的適應(yīng)性。另外，還有研究人員跟蹤了大規(guī)模的單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)與全球規(guī)模的生物、地理、化學(xué)大循環(huán)之中的復(fù)雜能量流動(dòng)，尤其是碳循環(huán)和氮循環(huán)。太陽輻射及地球“退還”的能量天文學(xué)家指出太陽屬于一類最常見的恒星——G2矮星，不管是大小還是輻射都毫不出眾。太陽的大部分功率都源自質(zhì)子之間的反應(yīng)——在溫度超過1.3×107K時(shí)，氫原子聚變?yōu)楹ぴ?。從地球的角度來看，太陽產(chǎn)生的總能量（總光度\h\h(26)\h）極其龐大，因?yàn)槠浜诵牡臒岷朔磻?yīng)每秒都會(huì)將4.4×106t物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，這相當(dāng)于3.9×1026W的功率，這比2005年人類的所有燃料（化石燃料和生物質(zhì)）和主要電力資源（水電和核電）的總功率還高13個(gè)數(shù)量級(jí)，即大約為后者的30萬億倍。在45億年前地球剛形成時(shí)，太陽還年輕，那時(shí)其光度大約比現(xiàn)在低30%。45億年過去了，如今太陽僅僅消耗了其巨大的總質(zhì)量的0.03%，但其核心中超過一半的氫都被消耗了，而且這種消耗還將繼續(xù)，但其最終的命運(yùn)與人類文明關(guān)系不大，因?yàn)楹芸赡茉谔柊l(fā)生轉(zhuǎn)變之前，人類文明就已經(jīng)不存在了。當(dāng)太陽發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，它首先會(huì)變成一顆直徑超過如今的太陽100倍的紅巨星，其散發(fā)出的能量會(huì)將地球熔化，然后它又會(huì)收縮為一顆高亮度的白矮星。太陽的生命周期以10億年為單位，而我們?nèi)祟愇拿鞯臍v史目前僅有5000年左右。地球能夠完美地接收太陽的輻射，太陽輻射幾乎可以毫無阻礙地通過宇宙真空，然后抵達(dá)地球大氣的最上層，此時(shí)其功率密度約為1368W/m2，這個(gè)速率被稱為太陽常數(shù)（SolarConstant），但是專用衛(wèi)星已經(jīng)觀察到，由于大氣干擾，這個(gè)速率可能會(huì)有之前無法觀察到的不規(guī)律的細(xì)微短期波動(dòng)，偏離平均值最多0.2%。另外，太陽還存在為期11年的活動(dòng)周期，這也會(huì)導(dǎo)致太陽常數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)也同樣很小，幅度約為0.1%，但更有規(guī)律。太陽輻射總體而言，太陽光譜非常接近一個(gè)完美黑體的光譜，其輻射溫度為6000K，最大發(fā)射峰接近500nm，位于綠光波段中波長最短的部分（491～575nm）。光譜中人類可見的波段為400nm（深紫色）～700nm（深紅色）（見圖2-2），彩虹中或通過玻璃棱鏡衍射的光可以按順序展現(xiàn)出可見光中的美麗色彩。人眼對(duì)波長為576～585nm的綠光和黃光最敏感，其中，波長為556nm即接近綠光波段末端的光的能見度最好?？梢姽鈳в械哪芰考s占入射太陽輻射總能量的38%；波長低于400nm的紫外線輻射的能量所占比例不到9%，人類無法看到或感受到這種輻射；波長大于700nm的紅外輻射的能量占比為53%，其中包括人類可以感覺到的熱。圖2-2電磁波譜示意圖我們?cè)诖髿鈱禹敹擞^測到的輻射與我們?cè)诘孛嫔辖邮盏降妮椛洌ㄈ照章剩┯泻艽蟛町?，這不僅有總量上的差異，還存在光譜組成上的差異。造成這種差異的原因有很多，其中最重要的一個(gè)明顯的原因是：太陽常數(shù)測量的是穿過太空垂直抵達(dá)一個(gè)平面的輻射，而這樣的能量流又必然分散到地球近乎完美的球面上，因此在旋轉(zhuǎn)的地球上，每單位面積的地表所能接收的太陽輻射的均值僅有地外能量流的1/4，即大約342W/m2，因?yàn)榍蛎娴拿娣e是同半徑的圓的面積的4倍。入射的短波輻射主要被分為3部分，其中，大約20%會(huì)在穿過地球大氣時(shí)被吸收；紫外線輻射主要由平流層臭氧吸收，這部分電磁波的波長低于300nm，僅占輻射總能量的1/10左右，但正是由于去除了紫外線輻射，地球才具備了促進(jìn)復(fù)雜生命演化的先決條件；其余部分則被對(duì)流層的云和氣溶膠\h\h(27)\h吸收。全球反照率基本上為30%，這是在不改變?nèi)肷漭椛涞牟ㄩL的前提下被云層和地表反射回太空的輻射比例。剛下的雪和厚積雨云（雷雨云）的反照率超過90%，深色土壤和茂密針葉林的反照率僅有5%左右。全球反照率中大約有2/3都是由云層反射造成的，其余部分有的來自地表反射，有的則來自大氣中的反向散射。這意味著日照率差不多剛好等于平均到旋轉(zhuǎn)地球的每單位面積上的太陽常數(shù)的一半，即大約170W/m2。這樣的日照率相當(dāng)于全球每年輸入太陽能2.7×1024J，折合功率約為87PW，是2005年全球化石燃料和主要電力資源總能耗的7000倍。所以很顯然，我們不缺能量，我們?nèi)鄙俚氖且钥山邮艿馁Y金或環(huán)境成本來收集能量并將其轉(zhuǎn)化為可用能量的能力，這將成為決定人類文明命運(yùn)的重要因素。極少量的太陽輻射就足以驅(qū)動(dòng)能耗超過我們100倍的文明，但我們卻很難將這樣充裕的能量流轉(zhuǎn)化為成本合理的電力。如果沒有云，地球上的年平均日照率會(huì)從赤道向兩極有規(guī)律地遞減，但熱帶多云的氣候?qū)е鲁嗟赖貐^(qū)明顯缺乏太陽能，另外，亞洲北部地區(qū)的季風(fēng)云也產(chǎn)生了同樣的效果。由此造成的結(jié)果是，赤道地區(qū)的亞馬孫河流域的大部分地區(qū)、赤道以北僅5°的尼日利亞南部地區(qū)以及中國南部省份，尤其是位于北緯30°內(nèi)陸地區(qū)的四川盆地，其年日照量還不及位于北緯40°～45°的新英格蘭\h\h(28)\h地區(qū)。更令人難以置信的是：位于南緯6°的印度尼西亞首都雅加達(dá)和位于北緯55°左右的加拿大阿爾伯塔省省會(huì)埃德蒙頓的夏季中午日照峰值幾乎相等。未來，當(dāng)我們大規(guī)模地將日照能量直接轉(zhuǎn)化為電能即進(jìn)行光伏發(fā)電時(shí)，這樣的現(xiàn)實(shí)狀況會(huì)對(duì)其產(chǎn)生非常重大的影響。地球的大氣與固體和液體表面吸收的所有輻射最終都會(huì)以紅外輻射的形式再輻射出來。雖然入射輻射的能量峰值在500nm左右，且90%的波長都低于4μm，但出射輻射的波長在3μm以上，能量峰值在9.66μm處，這相當(dāng)于入射峰值波長的20倍。這意味著入射的短波能量流和出射的長波能量流存在少量重疊。維持地球輻射平衡的路徑主要有3條：·一小部分能量通過傳導(dǎo)和對(duì)流以顯熱（sensibleheat）\h\h(29)\h的形式返回。·第一條路徑3倍的輻射量會(huì)變成蒸發(fā)的水的潛熱，這會(huì)在水蒸氣凝結(jié)之后被釋放到大氣中?！さ乇硪矔?huì)向上進(jìn)行長波輻射，這些輻射是地表吸收了太陽輻射的短波能量流與大氣中向下的長波經(jīng)過輻射后再輻射出來的能量，其中約95%會(huì)被大氣中的溫室氣體吸收，僅有很少一部分會(huì)直接進(jìn)入太空。大氣中的水蒸氣是最重要的溫室氣體，具有多個(gè)強(qiáng)吸收帶；借助1～8μm波長的吸收帶，水蒸氣將地表平均溫度提升了大約20K。二氧化碳在大氣中的濃度雖然很低，但也非常重要，其帶來的溫室效應(yīng)占當(dāng)前自然溫室效應(yīng)的1/4。此外，重要的微量濃度溫室氣體還有甲烷、一氧化二氮和臭氧，它們一起將地表溫度提升了10K以上。溫室效應(yīng)在過去的35億年中將生物圈的溫度維持在相對(duì)較窄的范圍內(nèi)，而水蒸氣雖然作為主要貢獻(xiàn)者，卻并非關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因素，因?yàn)槠湓诖髿庵械臐舛葧?huì)改變，而這種改變會(huì)放大而不是抑制溫度的變化：水蒸氣在溫度下降時(shí)會(huì)變少，而在溫度上升時(shí)會(huì)變多。對(duì)于地球溫度保持穩(wěn)定的原因，最佳的解釋涉及大氣中的二氧化碳、溫度和硅酸鹽礦物風(fēng)化作用之間的漸進(jìn)式反饋：當(dāng)溫度更低時(shí)，硅酸鹽的風(fēng)化\h\h(30)\h也更慢，并會(huì)導(dǎo)致已釋放的二氧化碳逐漸累積增多，進(jìn)而導(dǎo)致氣候變暖，二氧化碳在溫室效應(yīng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。而人們已知注意到，自1850年以來人類活動(dòng)已導(dǎo)致天氣中的二氧化碳相對(duì)增多，由此引發(fā)的全球變暖問題已成為人類文明面臨的重大挑戰(zhàn)之一。空氣和水，能量運(yùn)動(dòng)的媒介地球生物圈在吸收太陽輻射后獲得了3種必不可少的能量效果：陸地和海洋被加熱；水被蒸發(fā)成水蒸氣并可被輸送到離水源很遠(yuǎn)的地方；光合作用獲得了能量。其中，加熱過的陸地和海洋輻射出的熱能是大氣熱量的主要來源，這維持著大氣的持續(xù)運(yùn)動(dòng)。而且由于空氣的質(zhì)量相對(duì)較低，在地表附近每一立方米的空間中包含的空氣的質(zhì)量僅有1.2kg，僅為同體積水的質(zhì)量的1‰，因此只需非常少量的日照能量（也許僅僅2%）就足以為全球的大氣流動(dòng)供能。大氣流動(dòng)不僅可以分散熱量傳遞，也能傳播微生物、花粉和種子，還能引起陸地地表由風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)化作用。全球性大氣環(huán)流的能量來自熱帶地區(qū)的持續(xù)受熱，進(jìn)而導(dǎo)致冷空氣從高緯度地區(qū)向赤道地區(qū)流動(dòng)，形成所謂的“熱帶輻合帶”，并由此構(gòu)成了兩個(gè)空氣迅猛移動(dòng)的環(huán)流圈\h\h(31)\h。溫暖潮濕的熱帶空氣會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，形成赤道低壓帶，然后熱空氣會(huì)向南北兩極移動(dòng)，并在緯度25°～30°的寬廣帶區(qū)冷卻和沉降，且會(huì)被重新加熱。這個(gè)亞熱帶高壓帶造就了地球上的大片沙漠地區(qū)，這種溫暖且干燥的空氣會(huì)向赤道地區(qū)回流，然后在海洋表面附近形成持續(xù)強(qiáng)勁的信風(fēng)（tradewind）。1492年，這種信風(fēng)僅用了36天的時(shí)間就將3艘由哥倫布率領(lǐng)的小船從加那利群島送到了巴哈馬群島\h\h(32)\h，人類也因此發(fā)現(xiàn)了該信風(fēng)的存在。大氣中還有另一個(gè)相對(duì)弱一些的環(huán)流圈，由極地冷空氣外流引起。這些冷空氣在向低緯度地區(qū)流動(dòng)的過程中逐漸被加熱和升高，并最終返回高緯度地區(qū)完成環(huán)流。但實(shí)際上，由于地球還會(huì)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，所以這個(gè)循環(huán)并不完整。如果地球不自轉(zhuǎn)，北半球中緯度地區(qū)的地面風(fēng)將是南風(fēng)，但是地球的自轉(zhuǎn)將它們偏轉(zhuǎn)為盛行西風(fēng)，從而為美洲和歐洲的西海岸帶來了大量降水。速度最快的近地面風(fēng)是夏季強(qiáng)熱所產(chǎn)生的氣旋（低壓）氣流，其中既有無害的局部雷雨大風(fēng)，也有具有大規(guī)模破壞性的颶風(fēng)。即使是功率達(dá)到數(shù)百吉瓦的雷雨強(qiáng)風(fēng)，其沖擊物體的垂直功率密度也不會(huì)超過15kW/m2，不會(huì)破壞建筑物；而颶風(fēng)則不同，北美颶風(fēng)起源于非洲，其首先向西移動(dòng)，然后順時(shí)針猛然轉(zhuǎn)向，通常會(huì)在墨西哥灣北部、美國佛羅里達(dá)州和美國東海岸登陸。在亞洲，這種風(fēng)被稱為臺(tái)風(fēng)，其起源于馬里亞納群島附近的太平洋水域，然后向西運(yùn)動(dòng)，不斷影響東南亞大部分地區(qū)、中國沿海地區(qū)、朝鮮半島和日本。颶風(fēng)和臺(tái)風(fēng)氣旋的速度可達(dá)90m/s，相當(dāng)于超過300km/h，甚至能以高達(dá)1MW/m2的功率密度垂直沖擊物體表面，現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑能輕松抵御這樣的威力，但木質(zhì)結(jié)構(gòu)的房屋完全無力抗衡。某些颶風(fēng)可以持續(xù)數(shù)周時(shí)間，而且可沿?cái)?shù)千米寬的路徑一路影響大片地區(qū)，而龍卷風(fēng)則受限得多。美洲龍卷風(fēng)的平均寬度大約有125m，而且通常界限分明——一棟完全被摧毀的建筑物的對(duì)面可能就是一棟幾乎未受損的房屋，而且其路徑長度不超過10km，持續(xù)時(shí)間也不超過3分鐘。相較而言，最猛烈的龍卷風(fēng)的風(fēng)速可超過100m/s，其沖擊垂直表面時(shí)的功率也超過了典型的颶風(fēng)，只不過這種龍卷風(fēng)相對(duì)罕見。然而，地球上最重要的熱能載體卻并不是空氣，而是水，這要?dú)w功于水的獨(dú)特性質(zhì)，而且這種獨(dú)特性質(zhì)還讓水成了地球上最大的熱能儲(chǔ)存庫。水的獨(dú)特性質(zhì)水的比熱高達(dá)4.185J/（g·℃），是土壤和巖石的幾倍，這正是水的溫度上升和下降速度比固體表面更慢的原因。也正因如此，每單位體積的水能留存更多熱能，這也使得海洋成了地球上規(guī)模最大的溫度調(diào)節(jié)器。如果地球上大部分地區(qū)是陸地，那么地球表面的溫度就會(huì)在高溫和低溫之間來回?cái)[動(dòng)，就像沙漠中的溫度一樣。此外，前文也已經(jīng)提到，水的蒸發(fā)熱較高，在20℃時(shí)大約為2.5kJ/g，這就意味著大量的潛熱可通過水蒸氣移動(dòng)非常遠(yuǎn)的距離，然后在離來源地?cái)?shù)十、數(shù)百乃至數(shù)千千米遠(yuǎn)的地方釋放出來。蒸發(fā)會(huì)帶走裸露土壤中的水分，而且植被的蒸騰作用\h\h(33)\h還會(huì)加劇這一點(diǎn)，但很顯然，主導(dǎo)地球能量平衡的是海洋，不僅是因?yàn)楹Ｑ竺娣e大（約占地球表面積的71%），而且還因?yàn)楹Ｑ蟮牡头凑章剩骄鶠?%，由此導(dǎo)致海洋吸收的日照能量是陸地的4倍左右。但由于水的導(dǎo)熱能力很差，甚至還不及導(dǎo)熱能力相對(duì)較差的金屬的1%，這就導(dǎo)致海洋存在顯著的熱分層現(xiàn)象。海洋的平均深度為3.8km，而陽光只能穿透海洋薄薄的表層。在大江大河裹挾著大量泥沙涌入的沿海海域，海水渾濁，陽光能夠穿透的深度甚至不超過1m；而在最清澈的熱帶海域，陽光的穿透深度也僅有約200m。風(fēng)也在差不多同樣深度的海面薄層內(nèi)卷起海浪，將這層海水?dāng)噭?dòng)混合成大致一樣的溫度。海洋表面的這個(gè)薄層日復(fù)一日、季復(fù)一季地混合波動(dòng)著，在熱帶地區(qū)，這層海水的溫度可超過25℃。太平洋地區(qū)會(huì)周期性地發(fā)生暫時(shí)性的變暖現(xiàn)象，正常情況下，南美洲沿海的強(qiáng)勁信風(fēng)會(huì)推動(dòng)表層海水向西運(yùn)動(dòng)，造成表層海水溫度下降并導(dǎo)致富含營養(yǎng)物質(zhì)的海水上涌，因此養(yǎng)育了豐富的海洋生物。但當(dāng)信風(fēng)減弱時(shí)，南美洲沿海區(qū)域的表層海水溫度會(huì)上升，使得營養(yǎng)物質(zhì)的上涌同時(shí)停止，甚至該地區(qū)的捕魚活動(dòng)也會(huì)因此而暫停，這些原本會(huì)向西擴(kuò)散的溫暖表層海水會(huì)停留在赤道附近，并匯入來自大洋洲沿海的溫暖海水。這種反復(fù)出現(xiàn)的變暖現(xiàn)象被稱為“厄爾尼諾現(xiàn)象”（ElNi?o），與之一起出現(xiàn)的還有秘魯?shù)谋┯旰秃樗疄?zāi)害以及澳大利亞和印度尼西亞的干旱。與厄爾尼諾現(xiàn)象相反的是“拉尼娜現(xiàn)象”（LaNi?a），當(dāng)異常強(qiáng)勁的信風(fēng)帶走了南美洲沿海過多的溫暖海水并導(dǎo)致這片海域比正常情況下更冷時(shí)，這種現(xiàn)象便會(huì)出現(xiàn)。表層海水之下有一層溫躍層（thermocline），是海洋中溫度迅速下降但營養(yǎng)物質(zhì)濃度和鹽度逐漸升高的海水層。溫躍層之下的海水總是處于黑暗之中，而且溫度接近4℃，這是水密度最高時(shí)的溫度。同時(shí)這也體現(xiàn)了水這種媒介的又一非凡性質(zhì)：其他物質(zhì)的密度都會(huì)隨溫度下降而上升，但水在3.98℃時(shí)的密度最高。水的溫度和密度之間的這種不同尋常的關(guān)系使魚類可在北方的水域中生存，因?yàn)?，這些水域的表面雖然結(jié)冰了，但冰層下的水仍是液態(tài)的。只有在沿各大陸亞熱帶西海岸的一些有限的上涌區(qū)域，深海的冷海水才會(huì)被帶到表層。另外，海洋中還存在著巨型海洋瀑布，其可將表層海水帶到幾千米下的深海，這種向下的海水對(duì)流可以對(duì)上涌的海水進(jìn)行補(bǔ)充。包括蒸發(fā)、降水和徑流在內(nèi)的地球水循環(huán)每年會(huì)轉(zhuǎn)移近580000km3的水，這相當(dāng)于全球地表的每平方米面積的日降水量為3mm左右或年降水量1.1m。要將這么多水蒸發(fā)為水蒸氣，所需功率大約為46PW，相當(dāng)于地球總?cè)照展β实?2%左右。因此，在帶來夏季降雨的氣旋中，潛熱遠(yuǎn)高于氣流的動(dòng)能：雷暴中潛熱的動(dòng)能通常為氣流的50～100倍，颶風(fēng)中水蒸氣液化過程釋放的熱能可達(dá)大規(guī)模移動(dòng)氣旋的動(dòng)能的數(shù)千倍。只不過與亞洲的夏季風(fēng)相比，即使最大規(guī)模的颶風(fēng)所攜帶的熱帶熱能也微不足道。亞洲的夏季季風(fēng)每年都會(huì)影響西起阿曼\h\h(34)\h沿海、東至菲律賓的廣大地區(qū)，為生活在這片區(qū)域上大約占世界總?cè)丝谝话氲娜藥砑s10000km3的雨水，這期間釋放的潛熱則接近最強(qiáng)勁颶風(fēng)的500倍。陸地降水中僅有很少的一部分會(huì)滲入地下很深的含水層，大約有3/5會(huì)蒸發(fā)為水蒸氣，而不到1/3會(huì)通過河流返回海洋。假設(shè)陸地平均海拔為850m，那么河流中的水流每年會(huì)釋放400EJ（13TW）的重力勢能，這比21世紀(jì)初全球用電總量還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。建造水力發(fā)電站只能收集這大量勢能中的一小部分，因?yàn)樗婇_發(fā)需要可用于建造大型水壩的合適位置，而合適的位置又很有限，這既需要考慮灌溉、城市和工業(yè)等對(duì)水資源的需求，還必須考慮足以保證水生生物生存以及沖走淤泥的最小水流。地球的熱能，重塑地球的力量地球上還存在著地球內(nèi)熱這種能量流，雖然它與太陽輻射比起來微不足道，但卻實(shí)實(shí)在在地影響了生命的演化，而且其對(duì)人類文明命運(yùn)的影響也是不可估量的。這種能量在一刻不停地重塑著海洋河床，不斷地拼接和撕裂陸地。而且這種大型地質(zhì)構(gòu)造過程伴隨著屢屢發(fā)生的毀滅性災(zāi)難，比如強(qiáng)地震、橫穿海洋的海嘯和壯觀的火山爆發(fā)，這些災(zāi)難會(huì)重塑地表，也會(huì)給生命帶來毀滅性的打擊。地球內(nèi)熱的來源有兩個(gè)：一個(gè)是地球的熔融態(tài)金屬（大部分是鐵）內(nèi)核的緩慢冷卻過程中釋放的基礎(chǔ)熱能；另一個(gè)是放射性物質(zhì)（尤其是鈾235、鈾238、釷232和鉀40）衰變所釋放的熱能。其中后者的能量通量更重要。盡管我們目前還不能確定這兩種熱能來源的比例，但我們已經(jīng)通過大量測量得知地?zé)崮艿娜蚩偣β始s為44TW。將全球總功率除以地球的表面積可知地?zé)崮艿娜蚱骄β拭芏炔坏?0mW/m2，與平均日照功率密度的170W/m2相比，相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。地球上不同地理位置的地?zé)峁β拭芏却嬖陲@著的差異：海床的平均值比陸地的平均值高出70%以上，而在陸地上，古代地殼巖石地區(qū)的數(shù)值是最低的，加拿大地盾區(qū)就是一個(gè)典型例子。相比之下，最年輕的海床滲出熱量的速度大約是海床平均值的3倍。據(jù)記載，大面積平均值最高的地方是沿大洋脊的海床，在這里，熱巖石上升形成新的海床，因此太平洋的地?zé)崃鞑畈欢嗾嫉厍虻責(zé)峥偭康囊话搿＿@里的海底熱泉會(huì)噴射出壯觀的水柱，其中水的溫度高達(dá)360℃，功率密度可達(dá)每平方米數(shù)兆瓦，只有大火山爆發(fā)時(shí)的功率密度才能與之比肩。大約60%的地?zé)岫紩?huì)被用于沿大約55000km海脊形成的新海床，這些海脊將地殼\h\h(35)\h分成了多個(gè)堅(jiān)實(shí)的且緩慢移動(dòng)的地質(zhì)構(gòu)造板塊，其中太平洋板塊面積最大，而且?guī)缀跞呛Ｑ螅承┑胤降暮穸冗€不到10km，而其他一些板塊承載著大片陸地，很多地方的地殼厚度甚至超過100km。按照全球平均每年不到5cm的擴(kuò)散速度，沿海脊從下面的地幔上升的玄武巖漿每年會(huì)創(chuàng)造大約3km2的新海床。在厄立特里亞和索馬里之間的阿法爾地區(qū)、東非大裂谷和冰島中部等地，可在陸地上目睹這種裂谷過程。不斷擴(kuò)散的海洋板塊最終必然都會(huì)與更大型的陸地板塊發(fā)生碰撞，而海床又必然通過向下俯沖的方式被回收到地幔之中。地幔層位于地殼和液態(tài)的地核之間，是接近3000km厚的固態(tài)層。深海海溝是板塊俯沖作用中最壯麗、最驚人的特征。這種持續(xù)不斷的循環(huán)導(dǎo)致所有海床的年齡都不會(huì)超過2億年，事實(shí)上，大部分海床的年齡都不到1億年。另外，這也是大多數(shù)最猛烈的地震（通常會(huì)引起大規(guī)模海嘯）和火山噴發(fā)都集中在俯沖帶附近的原因。這些區(qū)域在太平洋底構(gòu)成了一個(gè)由深海海溝組成的巨大半圓，這個(gè)半圓從阿留申群島一直延伸到新西蘭以北的湯加，在這些地方，移動(dòng)速度較快的太平洋板塊會(huì)被擠壓到幾乎不移動(dòng)的澳大利亞和歐亞板塊下方。海洋板塊和大陸板塊間的另一種主要的碰撞形式會(huì)形成高聳的山脊，比如，印度板塊與歐亞板塊的碰撞仍在推高喜馬拉雅山脈，而阿爾卑斯山脈也是由非洲板塊與歐亞板塊最西側(cè)部分的碰撞造就的。關(guān)于地球宏大的地質(zhì)構(gòu)造的能量學(xué)和力學(xué)方面的很多細(xì)節(jié)仍不為人知，但毫無疑問，沿海脊上涌的巖漿以及沿海溝的板塊俯沖作用驅(qū)動(dòng)著地球上規(guī)模最大的循環(huán)。由地幔巖漿對(duì)流形成的新海床平均位于深海平原上方3km處，這些海床的熱巖石塊具有巨大的重力勢能，能提供遠(yuǎn)離海床的推力。沿著海溝，冷海床的下沉?xí)a(chǎn)生拉力，因?yàn)樗鼤?huì)向黏稠的地幔施加力矩。這種力的重要性已經(jīng)得到了證明，因?yàn)槿藗円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)板塊移動(dòng)的平均速度與俯沖帶的長度密切相關(guān)：太平洋板塊的短期生成速度高達(dá)每年20cm，長期速度則高達(dá)每百萬年90km。這樣的速度表明，與板塊的面積和移動(dòng)速度成正比的地幔阻力必然相對(duì)較小。地震和海嘯即使移動(dòng)速度最快的板塊每天也只能移動(dòng)0.5mm左右，因此，我們無法直接感知這樣的連續(xù)位移，但地震和火山噴發(fā)不斷提醒著我們：地幔一刻不停地涌動(dòng)著巨大的能量流。在所有已發(fā)生過的地震中，95%都與板塊的俯沖作用或板塊碰撞有關(guān)，而且90%的地震都發(fā)生在太平洋沿岸及周邊地區(qū)，這些地方也因此被稱為“太平洋火圈”。每年地震釋放的能量僅占總地?zé)崮芰苛鞯?%～2%，但地?zé)崮芰苛魇浅掷m(xù)的熱對(duì)流過程，而大多數(shù)地震會(huì)在幾秒鐘到半分鐘內(nèi)釋放所有能量，這也就意味著大地震具有非常大的破壞力。因此，在20世紀(jì)，地震奪走的生命比火山爆發(fā)、颶風(fēng)和洪水奪走的生命加起來還要多。想要知道一場地震的能量，最簡單的方法就是確定其地震震級(jí)。查爾斯·里克特（CharlesRichter）在1935年提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的測量方法。里氏震級(jí)是在離震中（震源在地表的投影點(diǎn)）100km處使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)扭擺地震計(jì)測得最大跡線振幅［以微米（μm）為單位］，然后以10為底求出其對(duì)數(shù)。地震的能量是以地震波的形式釋放的，而里氏震級(jí)和其他地震評(píng)級(jí)方法一樣，換算過來的總能量都只是近似值。有記錄的最強(qiáng)地震達(dá)到了里氏9.0級(jí)，釋放的能量接近1.5EJ，如果這些能量在30秒之內(nèi)釋放出來，那么功率將高達(dá)50PW，地球上的其他短時(shí)能量釋放過程都達(dá)不到這么大的功率。然而，地震強(qiáng)度與總死亡人數(shù)之間并不存在很強(qiáng)的相關(guān)性，居民密度和房屋建筑質(zhì)量是決定人員傷亡情況的關(guān)鍵因素。因此，20世紀(jì)兩起最廣為人知的地震所導(dǎo)致的死亡人數(shù)完全不同：1906年舊金山大地震的強(qiáng)度是1923年的東京大地震的4倍，但東京大地震卻造成了近14.3萬人死亡，主要是由東京密集建造的木制房屋坍塌和燃燒造成的，這比舊金山大地震所造成的死亡數(shù)高出將近50倍。近年來傷亡最慘重的地震發(fā)生于1976年7月28日的中國河北省唐山市，這座城市及周邊地區(qū)累計(jì)死亡超過24萬人。一些水