能量形式

热力学第一定律又称能量守恒定律。它的表述为：在任何封闭的系统中，无论发生什么，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。换句话说，就是能量守恒。这是一个特别重要和有用的定律，特别是在追踪能量通过各种复杂的物理或化学过程从一种形式转换到另一种形式的情况下。不管是什么过程，我们总是可以拿出计算器追踪能量，并在某处、以某种形式找到与开始时同等的能量。

能量转换的过程绝不是直观的，特别是从人类对我们周围世界中发生的一系列动态相互作用的观察角度来看，在那里能量似乎最终会悄无声息地消失殆尽（我们将很快谈到这一点），但这确实有助于解释为什么热力学第一定律是在第二定律之后才被发现的，它却仍然是第一定律。

颇为怀念的17世纪自然哲学精神仍然延续在现代普遍认同的“能量存在于不同形式”的观点中。各级教育和世界各地的现代课程都在追踪和收集不同形式的能量，正如早期的化学家和物理学家试图弄清物质内在的奇怪又神秘的特性——calculatrix、燃素等。

“能量”并不是简单地等着被发现，不像古生物学家发现的第一条鱼龙，或者勘探者偶然发现的光之山钻石。

——詹妮弗·库珀史密斯（Jennifer Coopersmith）

有趣的是，我们的现代能量理论继续将世界分为两种基本形式：动能和势能。17世纪的戈特弗里德·莱布尼茨和其他早期物理学家对生力和死力的洞见，在今天仍然具有惊人的先见之明。

物体由于运动而具有的能量就是动能，物体由于位置或位形而具有的能量就是势能。现实世界的系统总是这两者的混合体。但出于说明的目的，我们会选择具体的例子来阐释能量不同的形式。我们大多数人在学校都会学到，储存能量的总是势能，比如水库里的水，但也不完全正确。海浪的动能也是一种巨大的（暂时的）储存能量。

动能的类型包括：大型物体（风、水和潮汐涡轮机、飞机、火车和汽车）的机械能；火和流体中微观粒子的热能（分子和原子的振动）；电路中电能（电子）的流动；声音在空气中的流动；从500纳米左右的短波（如可见光，大约是你的指甲在8分钟内以1纳米/秒的速度增长的长度）到长波（如1000米无线电波波长）的电磁辐射能量。

势能的类型包括水在水力系统中的重力势能；电池中的电势能；电动机中的磁性势能；食物中的化学能；弹簧中的弹性能；铀中的核能（原则上，任何质量通过爱因斯坦的质能等价理论都可以转化为能量，详见第2章）。

因为我们使用的煤是祖先的110倍，所以相信我们无论在智力上、道德上还是精神上都比祖先好110倍。

——阿道司·赫胥黎（Aldous Huxley）

与可再生能源技术有关的主要能量转换包括：太阳能（辐射能转化为电能）、风能（机械能转化为电能）、水能（机械能转化为电能）、生物质锅炉（化学能转化为热能）、潮汐拦河坝（重力势能转化为机械能，再转化为电能）、波浪能（机械能转化为电能）和地热能（热能转化为电能）。

测量能量和功的标准科学单位是焦耳，以纪念詹姆斯·焦耳。对于人类来说，这是一个相对微小的能量。例如，我们每天的食物能量需求约为800万焦耳。1焦耳大约等同于把一个100克的苹果举到1米高所需的能量。吃一个苹果，你将摄入20万焦耳。功率是能量流动或做功的速率，1焦耳/秒为1瓦特，功率单位以发明蒸汽机的工程师詹姆斯·瓦特的名字命名。人类消耗能量的功率大约是100焦耳/秒，或100瓦特。

当我们考虑到全球经济的状况以及从化石燃料向大规模可再生能源系统过渡时，计量能量的数值是相对较大的。正如我们将在第2章中看到的，太阳几乎是我们所有可再生能源的来源，并设定了计量的范围。不同类型可再生能源的典型能量和功率计量涉及数千（103，即kilo）、数百万（106，即mega）、数十亿（109，即giga）、数万亿（1012，即tera）、数千万亿（1015，即peta）和百亿亿（1018，即exa）焦耳（计量能源储存时）和瓦特（计量能量流动时）。我们习惯了用kilo表示“千”的概念，如千克。mega一词通常用来表示“百万”（如megabucks意为一大笔钱），但giga、tera、peta和exa的科学记数法并不直观。要正确记住数量级的顺序（mega-giga-tera-peta-exa），记住“Millions of Green Turbines Power Electrons（百万台绿色涡轮机驱动电子）”这个口诀可能会有帮助。