从能量的角度看人类生产力的变革

万知航

摘 要：人类对能量的来源和利用方式的变革直接导致了人类生产力的变革；从人类利用能量的五次变革中，会发现他们有规律可循，概括来说，便是能量来源高质量化，能量转化人工化，能量转化设备小型化和能量转化步骤复杂化。人类的所有生产活动都需要能量，能量的来源和利用方式在对人类生产力的总体水平产生影响所有因素中占据了非常重要的位置。大量的历史事实都证明了这一观点：人类对能量的来源和利用方式的變革直接导致了人类生产力的变革。当能量转化过程复杂到一定程度，一定会开始简化，若将内能这一步跳过，生产力将会获得前所未有的大进步

关键词：能量 生产力 规律 变革

中图分类号：F014 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0230-02

1 回首昨天

1.1 人类对火的利用，是对化学能的最初应用

在人类会用火之前，进行着同动物一样吃生肉，严格符合大自然规律的生活方式，虽然有简易的工具，但在与大型猛兽的对抗中仍处于不利地位。然而，自从人类学会了用火，这个局势便立即被扭转。人类通过用火，吃到了熟食，改善了自己的营养结构，提升了人的智力；能够在黑暗中获得光明，创造了属于自己的作息规律；能用火驱赶猛兽的侵袭，从而壮大了人类的种群。所以，从某种意义上来说人与猿的界限是是否会用火。

燃料将自身的化学能通过燃烧释放出来转化成内能和光能，这几乎可以算是人类利用的第一个化学反应。通过这次对能量来源的变革，人大大提高了改善自然以适应人们需要的能力，无疑是造成了一次生产力的大变革，使人类完成了从猿到人的飞跃。

1.2 人类对光能的首次人工利用——耕种

打猎本身具有不确定性，不能长期稳定得满足人们对食物的需求，阻碍了人的进一步发展，于是一些在平原地区的人们渐渐学会了耕种。耕种相比打猎有更强的确定性、稳定性，使人们有了更强的生活能力，也使人类有了相对固定的居住地，形成了最初的部落。

在人们学会耕种之前，人类对光能的利用只能停留在眼睛产生的视觉和对天然生长的植物产出物的收集，所以说耕种是人类对光能的首次人工利用。从这以后，人类就可以人为地创造作物适宜的生长条件，而以最高的效率将光能通过光合作用聚集在作物中，以得到远远高于自然植物的产出，获得长期的稳定的食物来源。光合作用将光能转化成食物中的化学能，解决了人们最基本的问题——食物问题。通过这次变革，人类从自然中开辟了对人最有利的农田生态系统，进一步大幅提高自己的生产水平。

1.3 人类对牲畜的利用——从外界获得机械能

耕种促使了人类大量得繁衍增殖，又不断地开拓自然，在此过程中，一定会与自然中的野生动物发生矛盾，人们也发现了大型动物的巨大力量。从此，人类对动物的利用便不再只是提供肉类食物，也通过驯服一些动物来提供人类本身力所不能及的力量。它的利用使人的力量超越了人类自身所拥有的范畴，从而能够完成巨大的工程，也能实现较大量的运输。

牲畜提供的较大量的运输能力使人的各个部落建立了联系，促使了商业的形成，而它提供的较大的动力也使修建城墙、公路等大型工程成为可能。所以可以说畜力直接推动人类社会的形成和发展，而后来战国时期牛耕则更是被认为是农业史上的革命，并成为推动中国封建社会形成的根本原因。大量聚居的人自然而然地开始了分工，更间接地提高了人类社会生产力。

人类所需的能主要也就是内能和机械能，对火的利用使对内能的开发，之后的变革便都要集中在对机械能不同方式的获得途径的开发。把生物化学能转化为机械能，这几乎是人类在整个奴隶社会、封建社会获得机械能的唯一途径。

1.4 热机——近代的奠基者

英国富有煤炭，但大多存在于地下水的浸泡之中，若使用畜力抽水，则获利远远不及成本，同时，珍妮机的发明把纺织过程中的往复运动归之转动。于是改良后的蒸汽机便应声而出。再往后，人们发现与其加热气缸中的水不如直接让油在气缸中燃烧，于是内燃机便诞生了。

热机，顾名思义，是将由燃料燃烧产生的内能转化成机械能，它改变了化学能的利用方式。生物虽然能以较高的效率将化学能转化成其他形式的能，但对于人类来说，生物的体型和力量是不能改变的，所以在人们需要巨大能量时，必需很大的空间供给生物供能，这样就大大增大了能量耗散率。而且人类在不需要此生物时，也必需付出食物来维持生物的生命，同时生物也做不到连续运转，更造成了巨大的能源浪费。再看热机，需要时启动，不需要时便可关闭，而且可以以较小的体积产生巨大的功率，所以它能给人类提供巨大的便利，也使生产力踏上了一个新的台阶。

1.5 不完全的变革——电气、信息、核工业

先说20世纪初的人们对电开发利用的高潮。发电机、电动机的发明在原始能源和所需能量间加了一步转化过程：它把机械能先转化成电能，再通过电线将电能送到各个能量利用终端，在终端进行低噪音、无污染的利用。因为将机械能转化成电能和将电能转化成机械能的效率都较高，再加上人类能通过电线将电能高效、迅速、低成本的运输，这一次的变革将工业的动力车间和生产车间分离，使中小型工厂无需再燃烧煤、燃料油等燃料提供动力，而只需用电就可以了。这样把分散的低效动力源集中到高效、高功率的动力源，是工业史上一次巨大进步。

20世纪末期，计算机、网络发展得日新月异，而这些信息设备传递信息的方式正是数字。当时思维开阔的人便将信息技术与传统工业技术结合起来，用计算机操控机器进行生产。人脑的精确度与电脑无法相比，计算机可以通过数字信号精确地控制机床或其他机器生产产品，如此大大提高了产品的质量和精度，继而将这些产品应用于其它产业的生产中，无疑大大提高了工业的总体技术水平，人类才得以实现深潜、航天等的梦想。

20世纪中叶以后，由于相对论的提出，人们发现了蕴藏在原子核中的巨大能量，并开始应用于各个方面。核武器作为强杀伤力武器首先被制造出来，并在二战中得到运用，战后，和平利用核能也发展迅速，美苏等国相继建立了核电站，使核能为人类服务，核武器是冷战中军事角逐的一个非常重要的部分，现在依旧是各国军事实力的一把标尺，在军事中扮演了举足轻重的作用。然而，核能的利用技术在这几十年中未得到大幅度的进步，仍有许多像控制辐射、保障安全等的问题未得到解决，所以未给人民带来较大的生活质量提升，未使工业水平得到全面的进步。

为什么说它们不是一场完全意义上的变革呢？从以上几次变革可看出：我们这里所说的生产力的变革必须要使人类社会生产力总体水平得到巨大的提升，必须要使多个而非少数几个产业发生根本上的变化，还有就是要由能量的利用方式变革而引起的。然而，对电的利用归根结底还是使化学能燃烧转化成内能进而得到所需的机械能，发电、输电、用电这三个过程只是改变了能的运输方式，减少了运输中能量的损耗和浪费，却没有改变能量的来源和利用方式。信息技术在工业上的运用则更未改变能量来源和利用方式，它只是让现有的技术高精化，以此实现工业的大幅进步，故人们也只是叫他“第三次科技革命”，而非“第三次工业革命”。核能的利用改变了能量的来源，使它从一开始的化学能变为核能，那为什么依旧不算是完全意义上的变革？是因为它虽然开创了核能利用的先河，但这个技术却没有得到完善和发展，所以它只是提高了几个大国的军事实力，而没有改变整个工业的结构，没有大幅提升整个社会的生产力水平。所以虽然以上三次技术的进步都对社会造成了巨大的影响，在这里却不算是完全意义上的变革。

2 归纳总结

唐太宗李世民曾说：“以史为镜，可以知兴替”我们研究历史的目的，不是仅为了研究，而是为以后的决策、判断提供借鉴。

现在反观以往的五次变革，会发现他们有规律可循，概括来说，便是能量来源高质量化，能量转化人工化，能量转化设备小型化和能量转化步骤复杂化。

在20世纪之前，核能还未被人们发现，那么人的所有能量都来自于较低质量的能量源。为什么说低质量呢？因为火、畜力和热机都是将化学能转化成其它形式的人类所需要的能（能量形式）。化学能，顾名思义，便是可以通过化学反应释放出来的能量，而在我们利用的提供能量的化学反应中燃烧占绝大多数，但是燃料的热值却并不大（不同的燃料有不同的热值，比如煤的热值是3×107 J/kg，汽油是3.4×107 J/kg，但一般都是在107 J/kg的数量级上，大者如氢气也不过3×108 J/kg）。这也就导致了若需要大量的能量，就必须要有大量的燃料，而数量一大，运输、储存的成本也大幅增加，在一定程度上制约了工业的发展。并且燃烧一般需要空气中的氧气为助燃剂。这样一来，就使大量的能以内能的形式散失了，造成了极大浪费。再说光合作用所利用的光能，光不像燃料可以称重，但光合作用将光能转化为化学能却耗费了很长的时间，占用了很大的空间（地球上陆地的1/4土地被用作农田种植作物的种植，而非森林、草原的平原则被农田占据了几乎80%，而这些土地几乎一年四季都种植着作物，就是这样也不足喂饱这么多人口。光能虽然取之不尽、用之不竭，但因为地球距太阳太遥远了，以至于到达地球的光少之又少，所以光能也是低质量的能量源。相反，核燃料则可以大量提供能量，每1克的铀便可以提供数百亿焦耳的能量，其能源质量不可谓不高。相同质量的核燃料能提供相当于化石燃料百万倍的能量。后来，核聚变反应也被人应用于氢弹中，但尚未使它服务于民用工业，将来一旦氘、氦等核聚变燃料被应用，它的能源质量将比铀等核裂变燃料更高。

反观以往这几种能量转化过程，依然会发现问题，人类首先使用自然火，再掌握人工取火，后来使燃料在特定的地点（比如热机）中燃烧。这个演变过程中，人类利用能源对自然的依赖越来越小、越来越按照人的意愿而非自然条件对能源进行多元化利用。比如说，一开始人只能摘取树上的果实吃，后来则可以自己种想要的作物，现在甚至可以使用大棚、温室等种植反季节作物，也表现了这种趋势。能量转化人工化不仅体现在人对自然的依赖越来越小，也表现在人类对一些反应的创新：像煤和水混合加强热生成水煤气的反应，在自然中本来很少或根本不存在，但人类利用了这个反应，它也反应了能量转化人工化的趋势。

能量转化设备小型化比较容易理解，就是同样功率转化能量的设备的体积大小，一般可以表现为额定能量转化功率和设备体积的比值。对牛、马、驴等牲畜来说，这个值大约在3～5 kW/m3，蒸汽机则在50 kW/m3左右，内燃机可以达到400～600 kW/m3，而飞机和火箭的喷气发动机则能达到数千甚至上万kW/m3。显而易见，这个趋势就是以更小体积的能量转化设备提供更大的能量转化功率。

在古代社会，人们所利用的机械能一般是用牲畜将化学能直接转化而成的，热机发明了以后，在这个过程中加入了一个转化媒介——内能，电气时代到来后又加入了发电和用电两个步骤，若再加上处理能源的过程，过程将更加复杂。所以，从古至今，能量转化过程是趋于复杂化的，趋于复杂的目的是什么？复杂化就是让能量转化过程更加适应人类的需求，比如将能量转化加入电的两个过程，便是适应人类对于运输能量的需求。

3 展望明天

以史为镜知兴替的目的，就是要能更好地展望未来。

燃烧这个化学反应我们人类已经使用了数十万年了，在使用的过程中我们也不断寻找新的热值更高的燃料，探求能让燃料放出更多能的方法，但收效甚微，几十万年也不过将燃烧放出的能提高了寥寥几成，过后的研究效果也不会更好。所以要得到高质量的能源，必须寄希望与核能。核反应无需空气，不会排放污染物，非常适合在空气稀薄的高空或真空宇宙中使用，只要能做好放射防护措施，核能将会在各个领域中起巨大作用。它可以高效地应用于航天、航空、发电、冶炼、航海等很多需大量能量的产业。尤其是航天，改变能量来源可以大大减轻航天器的重量，从而可能引起又一次的航天发展高潮。

由热力学第二定律可知：任何能量转化过程中，转化效率一定会小于100%，那么转化步骤越复杂，所浪费的能量也将越多。所以当能量转化过程复杂到一定程度，一定会开始简化，直到简化成只需一步。现在不论是化学能还是核能的利用，都是先将其转化成内能，再获得所需的形式的能量，要知道，内能极容易通过三种能量传递方式散失，所以若将内能这一步跳過，生产力将会获得前所未有的大进步。

4 结语

实现能量转化过程的简化，最大可能的提高转化效率，是人类利用能量，提高生产力的发展趋势。如何跳过内能转化这一步，我无法预测，但我知道，这不能依赖自然中所存在的方式，需要人为创造这种转换方式，继续延续转化过程人工化的趋势，使人真正地生于自然而高于自然。

参考文献

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