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[阿什卡咖啡馆] 加水续航1000公里的轿车,你买不买?

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发表于 2017-9-7 12:19:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
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这是阿什卡微信公众号的第424篇原创文章

首发于2017年9月6日



不用加油,不用充电,只要加水,续航里程可达1000公里,这样的轿车,你买不买?
如果有这种轿车,当然买。
问题是,有吗?
新闻上真的有:青年汽车集团(简称青汽)发明了全球首辆水氢燃料车,卡车可续航500公里,轿车可续航1000公里。

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看来果然有。那就买吧?
这位官人且莫猴急,掏钱之前,我们先看看它是人是妖还是人妖。
从新闻可见,记者们亲眼见证的这辆卡车,全称是“水制氢燃料电池卡车”。
名字很直观,表明了动力原理:
用水制成氢,然后用氢发电,驱动汽车。
氢能发电么?还真能——

氢燃料电池
这玩意现在很火,因为它能效高,零污染(只排放水),各国都在大干快上。
它的原理很简单,简单讲是酱婶儿的:
众所周知,1个氧原子,娶了2个氢原子,就组成1个水分子家庭。
这个家庭很稳定,结了婚,就不容易离,必须暴力强拆。
怎么操作呢?用电刑。行刑手册:
把正、负电极(不啰嗦材质了)插进水里,通直流电,水就和两极发生反应:在负极,水得到电子,被还原形成氢气;而在正极,水失去电子,被氧化形成氧气。
这个拆散水家庭的过程,叫电解水。
这跟氢燃料电池有关系吗?关系大了。
电解水的逆反应,就是氢燃料电池。把上面的过程反过来:
氢放出电子,跟氧复婚,又成了水。氢们放出的电子,就是我们要的电。
这就是氢燃料电池的原理。
咦,这么爽?电可以把水变成氢和氧,而氢和氧又能发电,这样搞法,岂不子子孙孙无穷匮也,能源还是问题吗?千古难题一杯水,世界顿时和平了。
理智告诉我们,世上没有这么便宜的事。因为,有道坎很难迈过去——

一条热力学定律
氢、氧都是很活跃的元素,所谓活跃,就是处在高能态,很容易跟别人发生关系。
而水分子很稳定,所谓稳定,就是处在低能态,不太容易跟别人发生关系。
氢氧合体,是要花钱的——释放出能量,也就是激情燃烧,发光发热。
撒了钱,组成水分子小家,就是从高能态变成了低能态。好比山顶的石头滚进了山坳,释放了势能,也就稳定了。
好吧,自然状态下,总的来讲,物质是从高能态趋向低能态的。这就是热力学第二定律“熵增定律”的表现形式之一。有人认为,它是时间单向、不可逆的原因。
这个定律告诉我们:低能态的物质,不可能无缘无故地变成高能态物质。就像山坳里的石头,不可能自动跑去山顶。
想要石头回到山顶怎么办?需要能量把它送回去。
需要多少能量呢?不一定。至少,需要刚才它释放的势能那么多。
问题是,谁去送?
如果你去送,你还得克服自身重力、摩擦力、空气阻力…这一套下来,比实际需要的能量要大很多。多花销的能量,就是损耗。损耗,必须外界补给。
所以,石头落下来时,就算我们把它的势能都收集起来,也不够送它回去的。
水分子想要变回氢、氧,道理是一样的,就算把合体时释放的能量都收集起来,也不够拆开它们的。必须要额外的能量输入才行。
那么,那些用来损耗的额外能量,可不可以省一点呢?
可以的——

催化剂
它可以加快化学反应,还可以节省活化能,但它本身在反应前后都没啥变化。
啥叫活化能呢?
分子之间,不是随便就能发生关系,必须亢奋到一定程度才行,达到这种状态所需的能量,就是活化能。
化学反应(不管分合)好比结婚,结婚的花销是一定的,但刚一见面就入洞房感觉怪怪的,所以要先搭讪、约饭、出钱出汗,达到“不结婚难解心头之爱”的状态,这个过程就是“活化”,其间的付出,就是活化能。
催化剂,就是父母之命媒妁之言,包办婚姻,活化能、活化时间省去许多。但情侣结了婚以后,媒婆并没发生变化,她也不会为这桩婚事出一分钱。
活化能可以省一部分,但结婚本身的花销,还是一分也不能少。
这就是催化剂的作用。
OK,现在让我们来看看“水制氢燃料电池”的工作过程:
第一步,加水,这个没问题。
第二步,把水分解成氢、氧。这就有问题了,不加油,也不充电,谁来分解氢、氧呢?
嘿嘿,这就要请出核心技术了。
青汽透露,水氢燃料车的最大秘密,就是一种特殊催化剂,能将水转换成氢气。
是不是棒棒哒?不过好像哪里不对。因为我们又遇到了一道坎——

另一条热力学定律
能量守恒定律:能量既不会凭空产生,也不会无故消失,它只能从一种形式转换成另一种形式,总量不变。这是热力学第一定律。
刚刚说过,催化剂没问题,节省活化能没问题,问题是,结婚的花销,媒婆是不会出的,催化剂在反应前后,是没有变化的,翻译过来就是:它不提供任何能量。
所以问题是:能量从哪来——谁来拆开水分子,让它们愉快地做回氢和氧呢?
现在,我们来两个大胆的假设:
1.青汽催化剂,牛到没脾气——让活化能全免。汽车只充一次电,提供电解水的初始能量,有了氢、氧之后,车自己就可以发电、再电解、再发电,从此不用再充电了。
2.它发的电,可以全部用来电解水,驱动车的动力先不考虑。
那么还有个问题:氢燃料电池的发电效率是多少呢?
查了一下:目前最好的氢燃料电池,发电效率可达50%以上。
我们再做一个大胆假设:青汽电池可以达到80%。
开始运行:
1.初始充电的能量,全部用来抬高氢、氧的能态,也就是把水变成氢、氧。
2.氢氧发电,能效是80%,也就是说,发的电量顶多是初始能量的80%,至少浪费掉了20%。
这样搞法,很快就没电了。因为能量是守恒的,你制造出来的氢气,发一次电就浪费20%能量,又没有外界能量补充,那很快就玩儿不转了,这还是最理想的状态下,如果算上实际损耗,就更没法玩儿了。
这位同学说了,也许初始电量特别足,能把所加的水全都电解成氢、氧,然后用来发电呢?
那就更不对了。电量这么足,干嘛不直接用这块电池驱动车,非要用它电解水,再发电,白白损失至少20%能量呢?
所以我们遇到了一个尴尬的问题——

成本
前两个假设,路走不通,所以,我们需要一个更大胆的假设:催化剂提供能量。
这就要求,催化剂必须发生化学反应,不然能量从哪来?
反应了、贡献了能量,就不能叫催化剂了。就好比花钱请你结婚的不能叫媒婆,得叫妈。
称呼的事儿,先不纠结。我们快点让这个假设成立:催化剂发生反应,并且,所提供的能量足够。我们假设这些能量值100元。
“足够”的意思是,这100元能量分离出的氢、氧,所发的电,可以让轿车跑1000公里。
我们已经知道,就算发电效率达到80%,这场能量转换,也损失了20元能量。
这就是说,如果催化剂的100元能量直接用来驱动车,可以多跑20元的。
催化剂这100元能量从哪来的呢?根据能量守恒定律,催化剂被合成时,必须从外界吸收、储存至少100元能量才行。加上合成时,活化能等额外的花销,想合成这么多催化剂,必须远远超过100元才行。我们少算点,就算120元。
也就是说,我们用120元的钱,买了不足80元的能量。
那么,我们用这120元直接买电,或者直接买氢气加到氢燃料电池里,都比水解氢、再发电更省钱。省了分解水的工序,连水都不用加了。
看来,此路也不通。
于是,我们需要一个最大胆的假设:不用外界提供能量,催化剂不反应,也不提供能量,但就是能把水分解成氢和氧。
如果这个假设成立,那么,我们就干了一件大事——

推翻热力学第一、第二定律
撒一把催化剂,就能让水变成氢、氧,而氢、氧发电后,化合成水,遇到催化剂…无限循环ing。
如果这样,我们要提如下建议:
1.赶紧申请诺贝尔物理学、化学奖,因为我们一举颠覆了人类最想颠覆、也最难颠覆的物理定律,实现了人类关于能源的终极梦想——永动机。
2.先不要造汽车了,太浪费时间,赶紧研发“水制氢燃料电池宇宙灰船”,星际旅行的最大瓶颈已经被解决,去火星算什么,加一箱水,灰到哪儿都能灰回来。
3.千万小心,不要把催化剂掉进海里…
所以,青汽的这款车,你买吗?

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