查看原文
其他

汽车加水就能跑?想想月薪3000的人如何买到3百万的车 | 袁岚峰

袁岚峰 风云之声 2023-05-08

      

关注风云之声提升思维层次
导读

如果你只看整个过程中的一步,从水获得氢气,就以为做到了什么了不得的事情,所谓“车辆只需加水即可行驶”,那么你就犯了一个巨大的错误。这个错误就好像这个笑话:月薪3000元的人如何买到300万元的汽车呢?

注:风云之声内容可以通过语音播放啦!读者们可下载讯飞有声APP,听公众号,查找“风云之声”,即可在线收听~


2019年5月下旬,一条所谓科技新闻引发了舆论哗然。这条新闻是什么呢?大家想必都知道了:《南阳新闻联播》和《南阳日报》报道,《水氢发动机在南阳下线,市委书记点赞!》。


《南阳日报》报道:水氢发动机在南阳下线,市委书记点赞!


让我们来看一下这篇令人亮瞎眼的报道的开头:


“水氢发动机在我市正式下线啦,这意味着车载水可以实时制取氢气,车辆只需加水即可行驶。


5月22日上午,市委书记张文深到氢能源汽车项目现场办公时,为氢能源汽车项目取得的最新成果点赞。市委副书记、市长霍好胜参加现场办公。


张文深、霍好胜实地察看了氢能源汽车项目建设,观看了下线的水氢发动机的工作演示。张文深指出,水氢发动机在我市下线,使氢能源汽车项目前景一片光明,更加坚定了我们发展氢能源汽车项目的信心和决心。张文深、霍好胜还和大家一道饶有兴致地乘坐了氢能源样品公交车,‘体验的感觉很好,舒适、平稳。’大家连连称赞。”


这件事背后有什么隐情内幕,我们不得而知。但无论如何,科学原理是判断此事性质的基础。在这里,我就来给大家普及一下相关的科学原理。事实上,跟此事有关的科学原理至少包括三个层面。


第一个层面,是一个最最普遍的大道理,叫做能量守恒定律,又称为热力学第一定律。


我们知道,世界上有很多种能量。物体整体的运动对应动能,物体内部分子的无序运动对应热能,弹簧压缩有弹性势能,物体在引力场中有引力势能,化学反应释放化学能,核裂变与核聚变释放的是核能,如此等等,千变万化。


每一种能量形式都可以增加,或者减少。例如汽车可以开动,也可以停下,对应汽车动能的增加和减少。但关键在于,每一种能量的变化都必然伴随着其他能量的变化,而各种能量的总和是不会变的。也就是说,如果一种能量增加了,那么必然有其他某种能量减少了。宇宙这本大书的总账总是平衡的。用日常的比喻来说,就是“世上没有免费的午餐”,能量不可能无中生有。


能量守恒定律告诉我们,一个体系如果经过一系列变化,最后回到初始状态,那么它放出的总能量必然等于0。我们根本不需要去看中间过程的细节,就可以判断,不可能通过一个循环的过程获得能量。


这个道理看似很简单,但许多人并没有理解。经常有人来问我,能不能电解水制备氢气,然后用氢气推动汽车?我回答,氢气和氧气燃烧生成水放出的能量,必然等于电解水消耗的能量。因此这样做没有任何好处,这根本不算什么新能源。


如果上面这个例子让你觉得too simple too naïve,那么下面这个例子就显得上档次多了。我在讲核聚变是人类有望掌握的最强的能源的时候,有不少人评论说,反物质是更强的能源。你觉得这种说法怎么样呢?


从质能关系的角度看,核聚变能够把0.7%左右的质量转化成能量,正反物质湮灭却是把100%的质量转化成能量。在这个意义上,正反物质湮灭当然比核聚变强大得多。但问题在于,反物质算是能源吗?


事实上,宇宙中并没有天然的富含反物质的地方,至少我们现在还没有发现。我们现在能够获得的一点点反物质,都是通过加速器之类的办法,人工制备出来的,而且制备和保存非常困难。当然困难了,因为反物质一碰到正物质就会湮灭,能不困难吗?!而且,制备反物质消耗的能量,必然等于它跟正物质湮灭放出的能量。


因此,反物质不能算作能源,最多算作一种储存能量的手段,但这种手段也是非常不方便的。那些乐滋滋地宣称反物质是比核聚变更强的能源的同学,怕不是对“能源”这个词有什么误解?请注意“能源”的“源”字!


顺便说一句,宇宙中是不是存在比核聚变更强的能源呢?最近我知道了,在某种意义上还真有,就是黑洞喷流。这是我的同事、科大天文系的袁业飞教授告诉我的,他是黑洞研究专家,过不久大家就会看到我和他谈第一张黑洞照片的科技袁人plus节目。


黑洞会把附近的物质吸到自己周围,形成一个旋转的吸积盘。同时,在垂直于吸积盘的两个轴线方向,会有一部分物质以接近于光速的速度喷射出去,这是把引力势能转化成动能。黑洞喷流的质能转换效率可以高达40%,远远高于核聚变。这是宇宙中最壮观的景象之一,原则上也是一种可资利用的能源。当然,前提是你得有办法到达黑洞附近,因此,我们仍然需要核聚变!


黑洞喷流


看完了黑洞,让我们回到地面上南阳的这出闹剧。第二个层面的科学原理,是水能不能作为能源


在有一类宣传中,水确实是一种能源,而且经常被称为取之不尽用之不竭的能源。这就是核聚变的宣传。例如,人们经常看到这样的说法:一升水中包含的能量,相当于300升汽油。


这种说法可以认为是正确的,但它是什么意思呢?它实际说的是,氢的同位素氘(D)和氚(T)可以作为核聚变的燃料,把一升水中包含的D取出来,它发生核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧放出的化学能。


不过,核聚变需要超高的温度和压强。以目前的技术水平,还远远没有实现核聚变的有效利用。在日常生活中,我们是产生不了核聚变的,如果把水作为原料,那么涉及的只是化学能。而在化学能的层面上,水就是一种相当糟糕的原料


为什么呢?因为化学反应的本质是反应物中原子的重新组合,产生新的分子。如果产物分子中原子结合得比反应物中紧密,也就是说,产物分子的能量低于反应物分子的能量,那么根据能量守恒定律,就会向外释放出能量。


而水分子中氢原子和氧原子的结合是非常紧密的,如果换成其他的组合方式,十有八九能量会升高,而不是降低。也就是说,很可能会吸收能量,而不是放出能量。这就是为什么氢气是燃料,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,许多物质都是燃料,但水不是燃料,因为水的能量已经无法通过氧化反应降低了。


那么,用到水的发动机是完全不可行的吗?那倒也不见得。这就引出了第三个层面的科学原理:置换反应


水分子中氢原子和氧原子的结合固然十分紧密,但化学的有趣之处在于,强中更有强中手,总是有其他物质能够跟氧原子结合得更加紧密。如果这种物质跟水反应,就可以把水中的氧原子夺去,剩下的氢原子以氢气的形式放出来。这就是置换反应。


在南阳的这篇报道引发了很多批评之后,有科技工作者指出,这个所谓水氢发动机用的可能是铝合金粉末。用铝(Al)跟水反应,生成氢氧化铝(Al(OH)3),置换出水中的氢,然后用氢气燃烧推动汽车。


事实上,铝合金是大家在生活中经常见到的,例如铝合金门窗。那么,为什么它们没有一遇到水就反应呢?因为一般而言,铝在空气中氧化得非常快,会生成一层致密的氧化铝(Al2O3)薄膜。这层薄膜隔绝了下面的铝跟外界的接触,防止了进一步反应,这种效应叫做钝化。而铝加水制氢的诀窍,就在于铝合金粉末中有某些成分的添加剂,使得钝化不发生,从而铝可以源源不断地跟水反应。


在这个层面上,可以认为铝加水制氢是一个正常的研究,是有技术含量的。大家了解这层科学原理,也是一件好事。


但是,我们需要指出,这仍然不能使南阳这件事成为好事。这件事一望可知令人吐血的是它的宣传方式,充满了传销和民科的风格。涉及的公司青年汽车及其总裁庞青年,也早就被列入了全国失信被执行人名单。为什么这样的项目还能获得南阳市政府的支持,这背后有什么神奇的原因,那就要等待进一步的调查了。在这里我们只说宣传的问题。


假如真的是铝加水制氢,那么你就老老实实地说是铝加水制氢不就得了?为什么起个哗众取宠的名字“水氢发动机”?如果真的是铝加水制氢,那么实际用到的能量是单质铝中的化学能,而不是水中的化学能。也就是说,这里的储能材料是铝,而不是水。那么多宣传人员、技术人员,据说南阳市政府的领导也是理科毕业的,这么多人都看不出“水氢发动机”这个名字十分荒诞吗?


如果真的是铝加水制氢,那么这种方案在科学原理上是可行的,下一步是经济性的问题。有许多人指出,这种技术路线的性价比不高,还远远不到成熟的程度。


工信部也发了声明:截至目前,仍未收到青年汽车公司该车型的产品准入申请,该车型未获得产品公告。按照《中华人民共和国道路交通安全法》规定,目前这款车型不能生产销售和上路行驶。此外,针对社会各界关注的“骗补”疑问,工信部也回应称,该产品没有列入《车辆生产企业及产品公告》,不能申请新能源汽车补贴。


我们在这里不打算进入技术路线经济性的具体讨论,只是想说明一点:铝加水制氢不算一种能源,只算一种储能手段。


这种技术路线完整的过程是,铝消耗完以后,再用电解的方法,把产物的氢氧化铝转化成单质铝。根据我们在前面讲的第一个层面的能量守恒定律,电解制备铝消耗的能量,必然等于后面放出的能量,因此在整体上你是不可能赚到能量的。


事实上,电解制铝的成本很高,制备关键成分添加剂的成本也不知道会有多高,因此这种做法的经济性很可能远不如传统的汽油车,也不如现有的用电池的电动汽车。如果它可以有用的话,那么可能是作为一种电动车的储能手段,在电池耗尽之后用铝来维持运动,提高续航里程。


因此,如果你只看整个过程中的一步,从水获得氢气,就以为做到了什么了不得的事情,所谓“车辆只需加水即可行驶”,那么你就犯了一个巨大的错误。这个错误,就好像下面这个笑话:


月薪3000元的人如何买到300万元的汽车呢?


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。一个月电话费20-30元。平时不买衣服,不买鞋,也不抽烟,不喝酒。生活用品,一个月100元。交通费用,偶尔出门要坐公交,一个月20元。不上班的时候不去玩,都在看书,一个月花30元买书。其他突发事件的花费,一个月500元左右。剩下的全都存银行。这样省吃俭用辛辛苦苦存了一年,终于存够了3万元。


到了年底,加上这位青年的老爸给他的297万元,他终于买到了一辆价值300万元的豪车。——这个故事真是太励志了!


背景简介:本文作者袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,青年科学家社会责任联盟理事,中国无神论学会理事,安徽省科学技术协会常务委员,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。

责任编辑:孙远



袁岚峰的更多文章:

中国如何在贸易战中取胜? | 袁岚峰

“绝对安全”的量子密码 | 袁岚峰

想参与大型对撞机之争?先搞清基本背景 | 袁岚峰

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存