概念与测量

所有能量转化都以几个第一原理为基础。每种形式的能量都可以转化为热能。在这些转化过程中没有能量损失。能量守恒定律（热力学第一定律）是最基本和最普遍的现实之一。但当我们沿着转化链不断前进，潜在有用功逐渐减少（专栏1.2）。这种无法回避的现实构成了热力学第二定律，与有用能量的损失相关联的度量被称为“熵”（entropy）。虽然宇宙的能量含量是恒定的，但能量转化过程增加了它的熵（降低了它的效用）。一篮子谷物或一桶原油是一种低熵的能量储存方式，它们一旦被代谢或被燃烧，就能产生许多有用的功，但最终会表现为微热空气分子的随机运动，进入一种不可逆的高熵状态。这代表着效用的无法挽回的损失。

专栏1.2
能量转化过程中效用的递减

任何一种能量转化都能对该原理进行说明。如果一位美国读者用电灯来照亮这页书，电灯的电磁能只是用来发电的煤所含化学能的一小部分（2015年，煤电占美国发电总量的33%）。煤所含的能量至少有60%在工厂烟囱和冷却水中流失，如果读者使用旧式白炽灯，那么被输送过来的电能的95%以上最终会在灯泡内缠绕着的金属丝抵制电流的过程中发热流失掉。到达书页的光或被页面吸收，或被页面周围的环境反射和吸收，并作为热再次辐射掉。最初低熵输入的煤的化学能量已经达到扩散的高熵热耗散状态，加热了发电站上方、电线周边和灯泡周围的空气，并导致书页上方产生了难以察觉的温度升高。虽然没有能量损失，但一种非常有用的形式已经退化到没有实际用处的程度。

这种单向熵耗散导致了复杂性的损失，在任何封闭系统中产生更大的无序性和同质性。然而所有有机生命体——无论是微小的细菌还是全球范围的文明——都能通过输入和代谢能量来暂时对抗这一趋势。这意味着每个有机生命体都必须是能保持能量与物质连续流入和流出的开放系统。只要还活着，这些系统就不能处于化学和热力学平衡状态（Prigogine 1947, 1961; von Bertalanffy 1968; Haynie 2001）。它们的负熵——这些有机体的增长、更新和演化——导致了异质性加大，结构与系统的复杂程度增加。正如许多其他科学进步一样，随着19世纪时物理学、化学和生物学等学科在迅速的理论发展中对能量转化问题有了共同的关注，这些事实才得到了清晰的理解（Atwater and Langworthy 1897; Cardwell 1971; Lindsay 1975; Müller 2007; Oliveira 2014; Varvoglis 2014）。

对于这些关键要素，我们需要编纂一些测量标准。有两个用来测量能量的常用单位：公制单位卡路里（Calorie，缩写为cal）和英制热量单位（或称英热，缩写为Btu）。现今科学上的基本能量单位是焦耳（Joule，缩写为J），以发表第一部精确计算功和热当量的著作（专栏1.3）的英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule, 1818—1889）的名字命名。功率表示能量流动的比率。它的第一个标准单位马力（horsepower，缩写为hp）是由詹姆斯·瓦特（James Watt, 1736—1819）制定的。瓦特希望能用一种易于理解的计量方式来为他的蒸汽机作业定价，于是相比于原动机，他选取了通常用来拉动磨坊或水泵的马匹（专栏1.3，图1.2）。

专栏1.3
能量和功率的测量

焦耳的正式定义是1牛顿（力学单位，缩写为N）的力作用于1m的距离所做的功。我们也可以通过热需求来定义基本能量单位。1cal热量指将1cm3水的温度升高1℃所需的热量。这是很少的能量：对1kg水进行同样的操作需要1,000倍的能量，即1千卡（kcal，有关倍数前缀的完整列表，请参见附录“基本测量单位”）。考虑到热量和功的等效性，对于卡路里和焦耳的转换，我们只需记住1cal大约等于4.2J。对于仍然常见的Btu而言，换算同样简单。1Btu等于大约1,000J（确切地说是1,055J）。一项较好的比较尺度是每天平均食物需求，对于多数进行中等强度活动的成年人，日常需求是2,000—2,700kcal，或约8—11MJ，食用1kg全麦面包就可以获得10,000kJ能量。

1782年，詹姆斯·瓦特在他的《印迹与计算》（Blotting and Calculation Book）一书中计算出，一匹磨坊马以每分钟32,400ft·lb （英尺·磅，英制单位，1ft约合0.35m，1lb约合0.45kg。——编者）的功率工作，第二年他把这个数字取整为33,000ft·lb（Dickinson 1939）。他假设马匹的平均行走速度约为每秒3ft，但我们不知道他假设的平均拉力约180lb是如何得来的。一些大型动物确实可以达到这个标准，但18世纪欧洲的大多数马都无法维持1hp的功率。今天的标准功率单位1W（瓦特）等于1J能量在一秒钟内的流动。1hp约等于750W（准确地说是745.699W）。每天8MJ的食物消耗相当于功率为90W（8MJ/24h×3,600s），低于标准灯泡的额定功率（100W）。双烤面包机需要1,000W或1kW，小型汽车输出功率约为50kW，大型燃煤或核电厂以2GW的功率发电。

图1.2 18世纪中叶的法国地毯厂，两匹马转动绞盘来抽水（来源：狄德罗和达朗贝尔《百科全书》，1769—1772）。那个时期的普通马匹无法一直维持1hp的稳定工作功率。詹姆斯·瓦特的蒸汽机取代了牲畜，为了让顾客对这种以马力为单位的蒸汽机感到满意，他夸大了这一额定值

另一个重要比率是能量密度（energy density），即某种物质在单位质量内包含的能量（专栏1.4）。这一概念对食品至关重要：即便是在物质供应丰富的地方，能量密度低的食品也永远不可能成为主食。例如，墨西哥盆地的前拉丁裔居民总是吃大量的刺梨，这种食物很容易从仙人掌属的众多仙人掌种植物中采集到（Sanders, Parsons, and Santley 1979）。但是，与大多数水果一样，刺梨果肉绝大部分（约88%）是水，碳水化合物含量少于10%，蛋白质含量少于2%，脂质含量为0.5%，能量密度仅为1.7MJ/kg（Feugang et al. 2006）。这意味着如果只靠刺梨提供的碳水化合物（姑且如此假设，实际还需要另外两种营养素）为生，即便是一位瘦小的女性，每天也需要吃5kg刺梨——而相同的能量只需约650g玉米面或玉米粉饼即可提供。

专栏1.4
食物和燃料的能量密度

功率密度（power density）是单位面积产生或消耗能量的速率，因此是能量系统关键结构的决定因素（Smil 2015b）。例如，所有传统社会的城市规模都取决于薪材，木炭则明显会受到植物生长量的低功率密度的限制（专栏1.5，图1.3）。在温带气候地区，每年可持续的树木生长的功率密度至多等于传统城市供暖、烹饪和制造业能量消耗的功率密度的2%。因此，城市不得不依赖面积至少等于其50倍的周边地区来供应燃料。即便这些城市在粮食和水等其他资源方面十分充足，上述现实仍旧会限制城市的增长。

专栏1.5
植物燃料的功率密度

光合作用只能将接收到的不超过0.5%的太阳辐射转化为新生植物量。传统速生树种（杨树、桉树、松树）每年最佳薪材生产率不超过10t/ha（吨每公顷），更干旱地区薪材生产率在5—10t/ha之间（Smil, 2015b）。干木材能量密度平均为18GJ/t（吉焦每吨，1GJ = 109J），10t/ha的采伐量可转化为约0.6W/m2（瓦每平方米）的功率密度：（10t/ha×18GJ）/3.15×107（一年的秒数）= 5,708W；5,708W/ 10,000 m2（ha）= 0.6W/ m2。18世纪一座大城市至少需要20—30W/m2的建筑用于取暖、烹饪和手工制造，因此其薪材必须来自至少30—50倍于其面积的地区。

城市需要大量的木炭，在所有传统文明的室内供暖方面，木炭是在前工业时代广受青睐的唯一的无烟燃料，但木炭的使用会进一步造成巨大的能量损失。即便到了18世纪中叶，木材到木炭的标准转化率仍然高达5∶1，这意味着在能量方面（干木材为18GJ/t，木炭——基本是纯碳——为29GJ/t），这种转化效率只有约30%（29÷18÷5 = 0.32），用于木炭生产的木材收成的功率密度只有约0.2W/m2。因此，位于北温带气候区并严重依赖木炭的前工业化大城市（中国的西安或北京就是很好的例子）将需要面积至少为其100倍的林区以确保这种燃料的持续供应。

图1.3 约翰·伊夫林的《森林志》（Silva，1607年）描绘了17世纪早期英国的木炭生产过程

另一个比率对推进工业化具有重要意义，它就是能量转化率（efficiency of energy conversions）。这种输出与输入之比描述的是能量转化器（包括炉子、发动机和灯）的性能。我们虽然对于熵耗散无能为力，但可以通过减少完成特定任务所需的能量来提高转化效率（专栏1.6）。这类改进面临着基本的〔热力学的、机械的〕限制，尽管在大多数情况下，诸如内燃机和灯之类的普通能量转化器仍有很大的改进余地，但我们已将一些能量转化过程推向了接近实际效率的极限。

专栏1.6
效率提高与杰文斯悖论

技术进步带来了许多令人印象深刻的效率收益，照明发展史就是最好的例子之一（Nordhaus 1998；Fouquet and Pearson 2006）。蜡烛只能把牛脂或蜡中0.01%的化学能转化为光。到了19世纪80年代，爱迪生的灯泡效率大约是其10倍。到1900年，燃煤发电厂的效率只有10%，灯泡将不超过1%的电力转化为光，因此煤的化学能只有大约0.1%以光的形式出现（Smil 2005）。而如今最好的联合循环燃气轮机发电厂（使用从燃气轮机排出的热气为汽轮机产生蒸汽）的效率约为60%，而荧光灯的效率可达到15%，发光二极管也是如此（USDOE 2013）。这意味着天然气中约9%的能量最终以光的形式出现，其效率是19世纪80年代后期的90倍。这种效率收益节省了资本和运营成本，降低了对环境的影响。

但在过去，转化效率提高并不一定带来实际的节能。1865年，英国经济学家斯坦利·杰文斯（Stanley Jevons, 1835—1882）指出，效率更高的蒸汽机的使用通常伴随着煤炭消耗量的大幅增加，他进而得出结论：“认为节约使用燃料等同于减少消耗，这完全是一种思想混乱。事实恰恰相反。一般说来，新的经济模式将导致消耗增加，这一原则已在许多相互独立的情况下得到印证。”（Jevons 1865, 140）许多研究证实了这一事实（Herring 2004，2006；Polimeni et al. 2008），但在富裕国家（这些国家的人均能量使用量已经高度接近或已达到饱和水平），这种影响已经越来越弱。因此，最终使用层面效率的提高而产生的消耗量反弹往往很小，并随着时间推移而减少，具体的经济方面的反弹，即使是正数，可能也微不足道（Goldstein, Martinez, and Roy 2011）。

粮食生产效率（粮食中的能量与粮食生长过程投入的能量之比）、燃料或电力的生产效率，通常被称为能量回报（energy returns）。在每一个仅仅依靠生物能量的传统农业社会中，能量回报净值必须大大超过1：可食用收成包含的能量，必须超过生产粮食和饲料的人与动物以及不事生产的人与动物所消耗的食物或饲料的能量。当我们试图将传统农业的能量回报与现代农业的能量回报进行比较时，就会出现一个无法克服的问题：传统农业完全由生物能量提供动力（因此只涉及最近接收到的太阳辐射的转化），现代农业直接（为田野作业提供的燃料）或间接（合成肥料和农药以及制造农业机械所需的能量）获得补贴，因此后者的能量回报必定总是低于前者（专栏1.7）。

专栏1.7
粮食生产过程中的能量回报比较

20世纪70年代初以来，人们已经用一些能量比率的比较来说明传统农业的优越性以及现代农业的能量回报之低。由于两种比率之间存在根本差别，因此这些比较具有误导性。传统农业的能量比率反映的仅仅是农作物中收获的粮食能量与整个收获过程中部署人力和畜力所需的粮食和饲料能量的比值。相反，在现代农业中，用以驱动田间机械和制造机器与农药所需的不可再生的化石燃料的投入占据了这一比值的分母的绝大部分；劳动力投入则可以忽略不计。

如果这些比率仅仅反映可食用能量输出与劳动力输入的比值关系，那么现代生产系统，由于人力投入极小而且不使用役畜，看起来似乎优于任何传统生产。如果生产现代作物的成本包括所有被转化成共同分母的化石燃料和电力，那么现代农业的能量回报将大大低于传统农业。能量具有物理等效性，因此这样的计算是可行的。食物和燃料都可以用统一的单位表示，但是存在着一个明显的“苹果和橘子”问题：想要简单而直接地比较以两种根本不同的能量投入为基础的两种农业系统的能量回报，这样一种令人满意的方法是不存在的。

最后，能量强度（energy intensity）使用标准能量单位来测量产品、服务、总经济产出的成本及能量本身的成本。在常用材料中，铝和塑料是高能量强度的材料，而玻璃和纸张能量强度相对较低，木材（不包括其光合作用成本）则是广泛使用的材料中能量强度最低的（专栏1.8）。过去两个世纪的技术进步带来了能量强度方面许多实质性的下降。或许最值得注意的是，如今在大型高炉中以焦炭为燃料的生铁冶炼过程中，每个单位质量的铁水所需的能量仅为工业化前以木炭为基础的生铁生产所需的10%（Smil 2016）。

专栏1.8
常用材料的能量强度

能量成本（the energy cost of energy，通常称为EROI，即能量投入回报值，虽然EROEI——即能量投入的能量回报——更加准确）是一个有揭示性的衡量标准。仅在我们使用标准假设并清楚地确认了分析边界的情况下，使用统一的方法对价值进行评估，能量成本才适用。现代高能社会倾向于开发能量回报净值最高的化石燃料资源，这是人类偏爱原油特别是中东的丰富油田的主要原因。石油还有能量密度高（因此便于运输）等显著优点（专栏1.9）。

专栏1.9
能量投入的能量回报（EROEI）

不同化石燃料在质量和可及性方面存在巨大差异：比如，低质量煤较薄的地下煤层与可在露天煤矿开采的优质烟煤较厚的煤层相比差异巨大，中东超大型油气田与需要不断抽运的低产率油井相比差异巨大。因此，具体EROEI值会有很大差异——随着更加高效的开采技术的发展，这些值可能会发生变化。以下范围仅为近似指标，阐释几种主要的提取和转化方法之间的差异（Smil 2008a; Murphy and Hall 2010）。对煤炭开采而言，指标在10—80之间；对石油和天然气开采而言，指标在10至高于100这一区间；对于位于风力最大处的大型风力涡轮机而言，指标可能接近20，但在多数情况下小于10；对于光伏太阳能电池而言，该指标不超过2；现代生物质燃料（乙醇、生物柴油）的这一指标最多只有1.5，但生产这些燃料往往导致能量损失，或者该指标就不是净值了（EROEI仅为0.9—1.0）。

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