有人相信「水氫發動機」？你們對能量一無所知……
最近，一個關於「水氫發動機」的新聞在網上引起了熱議，袁老師也收到了許多同學對於這個神奇「新技術」的問題。
但只要了解一下這個「水氫發動機」的細節，並且具有一定的化學和能源相關常識，就馬上能發現這事的不靠譜。
如果再深入挖掘一下這新聞背後涉及的公司和人物，這不靠譜的味道就濃了許多……
不過，這次正好是個機會，就讓袁老師給大家科普一下關於「能量」的知識。最終也只有真正的科學知識，才能成為社會進步的「發動機」。
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嗶哩嗶哩：
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部分評論
MrJokerDK：
民科率先發動了水氫發動機
我方迫於無奈只能使用袁老師
雲狗君：
有人相信水氫發動機，這有什麼稀奇的，還有人相信沒有人比特朗普更了解中國呢。
憶惜漣漪：
科學才是真理！
唯有學習才可以打破無知！
2019年5月下旬，一條所謂科技新聞引發了輿論嘩然。這條新聞是什麼呢？大家想必都知道了：《南陽新聞聯播》和《南陽日報》報道，《水氫發動機在南陽下線，市委書記點贊！》。
讓我們來看一下這篇令人亮瞎眼的報道的開頭：
「水氫發動機在我市正式下線啦，這意味著車載水可以實時製取氫氣，車輛只需加水即可行駛。
5月22日上午，市委書記張文深到氫能源汽車項目現場辦公時，為氫能源汽車項目取得的最新成果點贊。市委副書記、市長霍好勝參加現場辦公。
張文深、霍好勝實地察看了氫能源汽車項目建設，觀看了下線的水氫發動機的工作演示。張文深指出，水氫發動機在我市下線，使氫能源汽車項目前景一片光明，更加堅定了我們發展氫能源汽車項目的信心和決心。張文深、霍好勝還和大家一道饒有興緻地乘坐了氫能源樣品公交車，『體驗的感覺很好，舒適、平穩。』大家連連稱讚。」
這件事背後有什麼隱情內幕，我們不得而知。但無論如何，科學原理是判斷此事性質的基礎。在這裡，我就來給大家普及一下相關的科學原理。事實上，跟此事有關的科學原理至少包括三個層面。
第一個層面，是一個最最普遍的大道理，叫做能量守恆定律，又稱為熱力學第一定律。
我們知道，世界上有很多種能量。物體整體的運動對應動能，物體內部分子的無序運動對應熱能，彈簧壓縮有彈性勢能，物體在引力場中有引力勢能，化學反應釋放化學能，核裂變與核聚變釋放的是核能，如此等等，千變萬化。
每一種能量形式都可以增加，或者減少。例如汽車可以開動，也可以停下，對應汽車動能的增加和減少。但關鍵在於，每一種能量的變化都必然伴隨著其他能量的變化，而各種能量的總和是不會變的。也就是說，如果一種能量增加了，那麼必然有其他某種能量減少了。宇宙這本大書的總賬總是平衡的。用日常的比喻來說，就是「世上沒有免費的午餐」，能量不可能無中生有。
能量守恆定律告訴我們，一個體系如果經過一系列變化，最後回到初始狀態，那麼它放出的總能量必然等於0。我們根本不需要去看中間過程的細節，就可以判斷，不可能通過一個循環的過程獲得能量。
這個道理看似很簡單，但許多人並沒有理解。經常有人來問我，能不能電解水製備氫氣，然後用氫氣推動汽車？我回答，氫氣和氧氣燃燒生成水放出的能量，必然等於電解水消耗的能量。因此這樣做沒有任何好處，這根本不算什麼新能源。
如果上面這個例子讓你覺得too simple too na?ve，那麼下面這個例子就顯得上檔次多了。我在講核聚變是人類有望掌握的最強的能源的時候，有不少人評論說，反物質是更強的能源。你覺得這種說法怎麼樣呢？
從質能關係的角度看，核聚變能夠把0.7%左右的質量轉化成能量，正反物質湮滅卻是把100%的質量轉化成能量。在這個意義上，正反物質湮滅當然比核聚變強大得多。但問題在於，反物質算是能源嗎？
事實上，宇宙中並沒有天然的富含反物質的地方，至少我們現在還沒有發現。我們現在能夠獲得的一點點反物質，都是通過加速器之類的辦法，人工製備出來的，而且製備和保存非常困難。當然困難了，因為反物質一碰到正物質就會湮滅，能不困難嗎？！而且，製備反物質消耗的能量，必然等於它跟正物質湮滅放出的能量。
因此，反物質不能算作能源，最多算作一種儲存能量的手段，但這種手段也是非常不方便的。那些樂滋滋地宣稱反物質是比核聚變更強的能源的同學，怕不是對「能源」這個詞有什麼誤解？請注意「能源」的「源」字！
順便說一句，宇宙中是不是存在比核聚變更強的能源呢？最近我知道了，在某種意義上還真有，就是黑洞噴流。這是我的同事、科大天文系的袁業飛教授告訴我的，他是黑洞研究專家，過不久大家就會看到我和他談第一張黑洞照片的科技袁人plus節目。
黑洞會把附近的物質吸到自己周圍，形成一個旋轉的吸積盤。同時，在垂直於吸積盤的兩個軸線方向，會有一部分物質以接近於光速的速度噴射出去，這是把引力勢能轉化成動能。黑洞噴流的質能轉換效率可以高達40%，遠遠高於核聚變。這是宇宙中最壯觀的景象之一，原則上也是一種可資利用的能源。當然，前提是你得有辦法到達黑洞附近，因此，我們仍然需要核聚變！
看完了黑洞，讓我們回到地面上南陽的這出鬧劇。第二個層面的科學原理，是水能不能作為能源。
在有一類宣傳中，水確實是一種能源，而且經常被稱為取之不盡用之不竭的能源。這就是核聚變的宣傳。例如，人們經常看到這樣的說法：一升水中包含的能量，相當於300升汽油。
這種說法可以認為是正確的，但它是什麼意思呢？它實際說的是，氫的同位素氘（D）和氚（T）可以作為核聚變的燃料，把一升水中包含的D取出來，它發生核聚變放出的能量相當於300升汽油燃燒放出的化學能。
不過，核聚變需要超高的溫度和壓強。以目前的技術水平，還遠遠沒有實現核聚變的有效利用。在日常生活中，我們是產生不了核聚變的，如果把水作為原料，那麼涉及的只是化學能。而在化學能的層面上，水就是一種相當糟糕的原料。
為什麼呢？因為化學反應的本質是反應物中原子的重新組合，產生新的分子。如果產物分子中原子結合得比反應物中緊密，也就是說，產物分子的能量低於反應物分子的能量，那麼根據能量守恆定律，就會向外釋放出能量。
而水分子中氫原子和氧原子的結合是非常緊密的，如果換成其他的組合方式，十有八九能量會升高，而不是降低。也就是說，很可能會吸收能量，而不是放出能量。這就是為什麼氫氣是燃料，碳是燃料，一氧化碳是燃料，甲烷是燃料，磷是燃料，硫是燃料，等等等等，許多物質都是燃料，但水不是燃料，因為水的能量已經無法通過氧化反應降低了。
那麼，用到水的發動機是完全不可行的嗎？那倒也不見得。這就引出了第三個層面的科學原理：置換反應。
水分子中氫原子和氧原子的結合固然十分緊密，但化學的有趣之處在於，強中更有強中手，總是有其他物質能夠跟氧原子結合得更加緊密。如果這種物質跟水反應，就可以把水中的氧原子奪去，剩下的氫原子以氫氣的形式放出來。這就是置換反應。
在南陽的這篇報道引發了很多批評之後，有科技工作者指出，這個所謂水氫發動機用的可能是鋁合金粉末。用鋁（Al）跟水反應，生成氫氧化鋁（Al(OH)3），置換出水中的氫，然後用氫氣燃燒推動汽車。
事實上，鋁合金是大家在生活中經常見到的，例如鋁合金門窗。那麼，為什麼它們沒有一遇到水就反應呢？因為一般而言，鋁在空氣中氧化得非常快，會生成一層緻密的氧化鋁（Al2O3）薄膜。這層薄膜隔絕了下面的鋁跟外界的接觸，防止了進一步反應，這種效應叫做鈍化。而鋁加水制氫的訣竅，就在於鋁合金粉末中有某些成分的添加劑，使得鈍化不發生，從而鋁可以源源不斷地跟水反應。
在這個層面上，可以認為鋁加水制氫是一個正常的研究，是有技術含量的。大家了解這層科學原理，也是一件好事。
但是，我們需要指出，這仍然不能使南陽這件事成為好事。這件事一望可知令人吐血的是它的宣傳方式，充滿了傳銷和民科的風格。涉及的公司青年汽車及其總裁龐青年，也早就被列入了全國失信被執行人名單。為什麼這樣的項目還能獲得南陽市政府的支持，這背後有什麼神奇的原因，那就要等待進一步的調查了。在這裡我們只說宣傳的問題。
假如真的是鋁加水制氫，那麼你就老老實實地說是鋁加水制氫不就得了？為什麼起個嘩眾取寵的名字「水氫發動機」？如果真的是鋁加水制氫，那麼實際用到的能量是單質鋁中的化學能，而不是水中的化學能。也就是說，這裡的儲能材料是鋁，而不是水。那麼多宣傳人員、技術人員，據說南陽市政府的領導也是理科畢業的，這麼多人都看不出「水氫發動機」這個名字十分荒誕嗎？
如果真的是鋁加水制氫，那麼這種方案在科學原理上是可行的，下一步是經濟性的問題。有許多人指出，這種技術路線的性價比不高，還遠遠不到成熟的程度。
工信部也發了聲明：截至目前，仍未收到青年汽車公司該車型的產品准入申請，該車型未獲得產品公告。按照《中華人民共和國道路交通安全法》規定，目前這款車型不能生產銷售和上路行駛。此外，針對社會各界關注的「騙補」疑問，工信部也回應稱，該產品沒有列入《車輛生產企業及產品公告》，不能申請新能源汽車補貼。
我們在這裡不打算進入技術路線經濟性的具體討論，只是想說明一點：鋁加水制氫不算一種能源，只算一種儲能手段。
這種技術路線完整的過程是，鋁消耗完以後，再用電解的方法，把產物的氫氧化鋁轉化成單質鋁。根據我們在前面講的第一個層面的能量守恆定律，電解製備鋁消耗的能量，必然等於後面放出的能量，因此在整體上你是不可能賺到能量的。
事實上，電解制鋁的成本很高，製備關鍵成分添加劑的成本也不知道會有多高，因此這種做法的經濟性很可能遠不如傳統的汽油車，也不如現有的用電池的電動汽車。如果它可以有用的話，那麼可能是作為一種電動車的儲能手段，在電池耗盡之後用鋁來維持運動，提高續航里程。
因此，如果你只看整個過程中的一步，從水獲得氫氣，就以為做到了什麼了不得的事情，所謂「車輛只需加水即可行駛」，那麼你就犯了一個巨大的錯誤。這個錯誤，就好像下面這個笑話：
月薪3000元的人如何買到300萬元的汽車呢？
有一位青年在一家公司上班，月薪3000元。公司安排食宿。上班都走路。一個月電話費20-30元。平時不買衣服，不買鞋，也不抽煙，不喝酒。生活用品，一個月100元。交通費用，偶爾出門要坐公交，一個月20元。不上班的時候不去玩，都在看書，一個月花30元買書。其他突發事件的花費，一個月500元左右。剩下的全都存銀行。這樣省吃儉用辛辛苦苦存了一年，終於存夠了3萬元。
到了年底，加上這位青年的老爸給他的297萬元，他終於買到了一輛價值300萬元的豪車。——這個故事真是太勵志了！
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