浅谈能源之热寂

摘要：能源一直是技术环保产业等领域关注的主题，能源的本质我们究竟掌控了解了多少？技术环保和产业领域的专业人士和普通爱好者大家一起了解下能源的实质以及我们今天的使用状况，展望下未来的发展方向。

关键词：能量 热寂 超导 能量品级

能量在物理学上的意义是运动和能动，在人类生产活动中的意义就是交通运输和加工制造，还有加热制冷烘干和照明等，也可以看做用于了物质和能量的转移。能源是可以获得能量的源，樵夫在山里砍的烧柴、矿工在地下挖掘来的煤炭还有我们在池塘底部收集到的沼气都叫做一次能源；我们家里墙壁上的插座和灶具用的煤气是通过发电厂和石油炼化厂加工供应的，因此被叫做二次能源。能源的转换在方便了人类使用的同时，也有损失。因为电能便于转换为各类型人们的需要，所以电气化成为某区域某行业步入现代化的标志之一，因此现代社会生产活动中电能的生产和消费占到人类能源使用总量的80%以上。

目前能源生产的九成以上来自热能（煤炭石油的燃烧和核能的释放），上面这张图就是我们目前应用最广泛的热能--电力生产过程的能流图，也是目前占我国八成以上的电力供应的燃煤发电厂的能量流程图，也反映了现在车辆船舶上使用的内燃机和蒸-燃气轮机的效率。从这张图中我们可以看到，人类目前所有的高科技全部利用上也只能尽可能少的减少图中上部四项损失，而对于下部那接近60%的能量损失束手无策。车船发动机直接作为动力发生的设备，原理流程效率同样，而对于中小型发动机而言，还远远达不到30%。电能从发电厂经由高压输电线路再到各级变压器降压分配到我们家还有损耗，电阻的叫铜损，磁阻的叫做铁损，那么我们的电力生产和消费的效率就大约在20%左右。

为什么会出现这种情况，如今，人类的科技水平已经可以上天入地了，为何在能源转换领域的效率会这么低？要回答这个问题，我们需要先知道热力学三定律，第一定律就是热功当量，第二就是热量只能自发的从高温传递到低温物体，第三就是极限低温永远无法达到。这个简单的叙述，就是支撑今天热能动力产业的支柱理论。同样作为运动力学核心牛顿三定律，由牛顿一人就发现和整理完成了，而热力学三定律的确立完善却历经百年、数十人参与，所以今天我们很多人学习和理解起来耗费十几年甚至皓首穷经也不能说是今人的愚笨。

我们目前的热机（把热能转化为机械能的装置）利用的都是物体受热膨胀的力量来获取机械动力的，那么我们的膨胀体和接受机械能的装置不是无限大，所以就需要一个循环过程，有了循环就需要有一个低点，在术语里那个低点叫做冷源。就是说我们通过各种途径获得的热量在转化为机械能的过程中，因为对冷源的依赖，我们6成的热量要白白的送给冷源。那么能否不需要冷源或者使那个冷源接近于零呢？只要找到那个极端冷的地方，我们利用大海里常温海水的巨大热量也是可是获得可用能量的，那么那个极端冷的点在哪儿呢？在十八世纪的热机诞生之日起无数理想主义者就为了寻找那种高效率的“永动机”而努力探询，直到第二定律和第三定律的确立，大家才停止了实践上的探索，但是在大学里、在工厂里、在无数热血青年的头脑中还在不断的探询，寻找着永动机的皈依。任何实践都会有收益，人们在探询永动机和极端低温的过程中发现了超导现象，所谓超导就是导体电阻为零的状态，超导的出现，使电磁的发生和电能的传递可以实现无损耗的100%。从而使热力学又成为物理学的一个引无数英豪研究和冲击的制高点。这是一个分支，我们暂不详述。我们再说用气体膨胀做功的热机，如果能够设计制造一个无限长的内燃机气缸，两边都有活塞，那么我们往里面注入燃料和空气，使他无限的膨胀不要停下来，两端的活塞产生的推力被设计完美的机械利用好，那么这个机械的效率是可以接近于100%的，暂不说这个无限长的汽缸加工难度有多大，仅仅是一个无限长的机械产生的能量也是我们是无法收集和利用的。所以我们依然使用的是有限容量的循环工作的带有排放端口的热机。

既然今天的能量生产领域没有办法解决了，我们看看能量使用过程吧，有多少能源的使用其实可以不使用高端能源，那么什么是高端能源呢，焦耳说的能量守恒定律不是说能量平等吗？平等只是在一个宽泛的范围内，在能源转化的具体过程中有很多不平等的现象，第一电能可以无条件的完全转化为热，却无法完全转换为光、磁、机械运动，在转化为光磁机械运动的这个过程中必然伴生热。因为有这些原因的存在所以能量就有等级了，热能最容易得到所以品级最低，低温热量用处最少所以品级最低，电能可以高转换率的转换为其他形式的能量，而且他最难获得，因此它的品级最高。这些朴素的规则大家也可以在棋类扑克麻将这些游戏里得到，那就是等级的大小的比对和转换关系。

能量分品级的依据就是以他的得到难易程度和它的使用方便度。在人类生产活动中热能是最低等的，因为所有的能量都可以100%的转化成热，这和社会学里的一些道理有些相通，容易得到的往往不是好东西，好东西都不容易得到。在自然科学领域似乎也存在这样的道理，机械通过直接撞击和摩擦阻尼最后能量耗尽，除了自身形变外全部转化为热能。电能可以通过欧姆效应100%的直接转化成热能。化学能可以通过氧化反应转化为热能。光通过光的热效应和多次反射折射在媒质中的损耗，最终也能全部转化为热能。声音本来就是机械波动，也属于机械能，最终通过摩擦和阻尼而变成热能。很多人会问，既然所有的能量消耗最后全部成为热能，那么地球会不会越来越热，其实早在100多年前，人类就已经有这个担忧了，那就是热寂说，随着热量的不断累积，低温处升高高温处降低，达到温度的趋同，热传递消失；今天的能源除核能外的其他的能源都来自太阳辐射能和地球动能，估计在100亿年后太阳将燃尽，那么没有能源输入的地球各处的温差逐渐消失，宏观和微观的运动消失，大地寂静的永恒的存在在某一个热力学温度处。热寂的存在如同我们终有一天要离开这个世界一样，是历史的必然，但是我们从学校毕业到步入社会，从春风得意的升职到被小人暗算失意，再到重整河山东山再起，经历了无数的跌宕起伏和花开花落，死亡虽然是必然但却依旧没有光临我们，那个热寂我们还有什么可担心的呢？按照现在人们对太阳寿命的预计尚余百亿年来看，足够再完成地球生命的渐次演变过程大于一千次，完成一次人类社会变革上万次呢，热寂对我们安全的威胁远小于下一次热带风暴登陆，再一次金融危机的到来。太阳输入到地球的能量约为600瓦/平方米左右，同时地球也向外辐射热量，最终有一个平衡，而打破这个平衡最重要的是地球的外衣——大气，就是今天极热的那个词-碳排放量，对我们的威胁更大，他将摧毁人类200年来所谓现代化发展的平衡。

目前人类社生产中的能量生产80%以上都是热机，由热机驱动机械式发电机和车辆船舶，这种生产工艺的能源都来自燃料的燃烧，燃料中的煤炭石油天然气核能都是不可再生能源，今天热炒的所谓生物质（木材稻草秸秆）、太阳能、和地热等仅在类型上丰富了能源生产，但是在能源生产总量上还是靠不可再生的煤炭、石油天然气这三支老枪在承担着整个产业的主导。在这个总体利用率不足20%的热-机-电的生产使用过程里，我们还有很多精细的工作可做，比如低温余热利用、精密热机研发应用、热力循环改进、常温超导应用试验、永磁电动机使用等等，而不是把大量的技术力量和资金储备投放到大风车和电池板等经济收效甚低的所谓新能源上去。大风车和光伏板丰富自然和城市景观，普及了初级能源常识确实起了一定作用，但是技术产业升级改造需要的是全民参与科学普及和技术实践，绝不是弱智的人带领大家去空喊口号，然后供给更弱智的官僚来参观看热闹后划拨资金和土地到股市圈钱。他需要全民参与，从整个生产工艺环节的革新进步开始，从仔细的消化吸收所有的基本原理和优化生产设备入手，工业技术的进步从来都是在车间作坊和实验室里历经寂寞和默默探索而产生的，不是来自领导关注或者民众聚集炒作的股市暴涨。

参考文献：

[1]邓开明,潘国顺.华文玉《大学物理》（上）.机械工业出版社

[2]许三南,陆 建,徐 浦.《大学物理》（下）.机械工业出版社

[3]华自强,张忠进,高青.《工程热力学》.高等教育出版社

[4]叶 涛.《热力发电厂》.中国电力出版社

[5]《中国电力统计数据分析2011》.中国电力企业联合会