從能量的角度看人類生產(chǎn)力的變革

萬知航

摘 要：人類對能量的來源和利用方式的變革直接導(dǎo)致了人類生產(chǎn)力的變革；從人類利用能量的五次變革中，會發(fā)現(xiàn)他們有規(guī)律可循，概括來說，便是能量來源高質(zhì)量化，能量轉(zhuǎn)化人工化，能量轉(zhuǎn)化設(shè)備小型化和能量轉(zhuǎn)化步驟復(fù)雜化。人類的所有生產(chǎn)活動都需要能量，能量的來源和利用方式在對人類生產(chǎn)力的總體水平產(chǎn)生影響所有因素中占據(jù)了非常重要的位置。大量的歷史事實都證明了這一觀點：人類對能量的來源和利用方式的變革直接導(dǎo)致了人類生產(chǎn)力的變革。當(dāng)能量轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜到一定程度，一定會開始簡化，若將內(nèi)能這一步跳過，生產(chǎn)力將會獲得前所未有的大進步

關(guān)鍵詞：能量 生產(chǎn)力 規(guī)律 變革

中圖分類號：F014 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0230-02

1 回首昨天

1.1 人類對火的利用，是對化學(xué)能的最初應(yīng)用

在人類會用火之前，進行著同動物一樣吃生肉，嚴(yán)格符合大自然規(guī)律的生活方式，雖然有簡易的工具，但在與大型猛獸的對抗中仍處于不利地位。然而，自從人類學(xué)會了用火，這個局勢便立即被扭轉(zhuǎn)。人類通過用火，吃到了熟食，改善了自己的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提升了人的智力；能夠在黑暗中獲得光明，創(chuàng)造了屬于自己的作息規(guī)律；能用火驅(qū)趕猛獸的侵襲，從而壯大了人類的種群。所以，從某種意義上來說人與猿的界限是是否會用火。

燃料將自身的化學(xué)能通過燃燒釋放出來轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，這幾乎可以算是人類利用的第一個化學(xué)反應(yīng)。通過這次對能量來源的變革，人大大提高了改善自然以適應(yīng)人們需要的能力，無疑是造成了一次生產(chǎn)力的大變革，使人類完成了從猿到人的飛躍。

1.2 人類對光能的首次人工利用——耕種

打獵本身具有不確定性，不能長期穩(wěn)定得滿足人們對食物的需求，阻礙了人的進一步發(fā)展，于是一些在平原地區(qū)的人們漸漸學(xué)會了耕種。耕種相比打獵有更強的確定性、穩(wěn)定性，使人們有了更強的生活能力，也使人類有了相對固定的居住地，形成了最初的部落。

在人們學(xué)會耕種之前，人類對光能的利用只能停留在眼睛產(chǎn)生的視覺和對天然生長的植物產(chǎn)出物的收集，所以說耕種是人類對光能的首次人工利用。從這以后，人類就可以人為地創(chuàng)造作物適宜的生長條件，而以最高的效率將光能通過光合作用聚集在作物中，以得到遠遠高于自然植物的產(chǎn)出，獲得長期的穩(wěn)定的食物來源。光合作用將光能轉(zhuǎn)化成食物中的化學(xué)能，解決了人們最基本的問題——食物問題。通過這次變革，人類從自然中開辟了對人最有利的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，進一步大幅提高自己的生產(chǎn)水平。

1.3 人類對牲畜的利用——從外界獲得機械能

耕種促使了人類大量得繁衍增殖，又不斷地開拓自然，在此過程中，一定會與自然中的野生動物發(fā)生矛盾，人們也發(fā)現(xiàn)了大型動物的巨大力量。從此，人類對動物的利用便不再只是提供肉類食物，也通過馴服一些動物來提供人類本身力所不能及的力量。它的利用使人的力量超越了人類自身所擁有的范疇，從而能夠完成巨大的工程，也能實現(xiàn)較大量的運輸。

牲畜提供的較大量的運輸能力使人的各個部落建立了聯(lián)系，促使了商業(yè)的形成，而它提供的較大的動力也使修建城墻、公路等大型工程成為可能。所以可以說畜力直接推動人類社會的形成和發(fā)展，而后來戰(zhàn)國時期牛耕則更是被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)史上的革命，并成為推動中國封建社會形成的根本原因。大量聚居的人自然而然地開始了分工，更間接地提高了人類社會生產(chǎn)力。

人類所需的能主要也就是內(nèi)能和機械能，對火的利用使對內(nèi)能的開發(fā)，之后的變革便都要集中在對機械能不同方式的獲得途徑的開發(fā)。把生物化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，這幾乎是人類在整個奴隸社會、封建社會獲得機械能的唯一途徑。

1.4 熱機——近代的奠基者

英國富有煤炭，但大多存在于地下水的浸泡之中，若使用畜力抽水，則獲利遠遠不及成本，同時，珍妮機的發(fā)明把紡織過程中的往復(fù)運動歸之轉(zhuǎn)動。于是改良后的蒸汽機便應(yīng)聲而出。再往后，人們發(fā)現(xiàn)與其加熱氣缸中的水不如直接讓油在氣缸中燃燒，于是內(nèi)燃機便誕生了。

熱機，顧名思義，是將由燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能，它改變了化學(xué)能的利用方式。生物雖然能以較高的效率將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，但對于人類來說，生物的體型和力量是不能改變的，所以在人們需要巨大能量時，必需很大的空間供給生物供能，這樣就大大增大了能量耗散率。而且人類在不需要此生物時，也必需付出食物來維持生物的生命，同時生物也做不到連續(xù)運轉(zhuǎn)，更造成了巨大的能源浪費。再看熱機，需要時啟動，不需要時便可關(guān)閉，而且可以以較小的體積產(chǎn)生巨大的功率，所以它能給人類提供巨大的便利，也使生產(chǎn)力踏上了一個新的臺階。

1.5 不完全的變革——電氣、信息、核工業(yè)

先說20世紀(jì)初的人們對電開發(fā)利用的高潮。發(fā)電機、電動機的發(fā)明在原始能源和所需能量間加了一步轉(zhuǎn)化過程：它把機械能先轉(zhuǎn)化成電能，再通過電線將電能送到各個能量利用終端，在終端進行低噪音、無污染的利用。因為將機械能轉(zhuǎn)化成電能和將電能轉(zhuǎn)化成機械能的效率都較高，再加上人類能通過電線將電能高效、迅速、低成本的運輸，這一次的變革將工業(yè)的動力車間和生產(chǎn)車間分離，使中小型工廠無需再燃燒煤、燃料油等燃料提供動力，而只需用電就可以了。這樣把分散的低效動力源集中到高效、高功率的動力源，是工業(yè)史上一次巨大進步。

20世紀(jì)末期，計算機、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得日新月異，而這些信息設(shè)備傳遞信息的方式正是數(shù)字。當(dāng)時思維開闊的人便將信息技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)結(jié)合起來，用計算機操控機器進行生產(chǎn)。人腦的精確度與電腦無法相比，計算機可以通過數(shù)字信號精確地控制機床或其他機器生產(chǎn)產(chǎn)品，如此大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，繼而將這些產(chǎn)品應(yīng)用于其它產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)中，無疑大大提高了工業(yè)的總體技術(shù)水平，人類才得以實現(xiàn)深潛、航天等的夢想。

20世紀(jì)中葉以后，由于相對論的提出，人們發(fā)現(xiàn)了蘊藏在原子核中的巨大能量，并開始應(yīng)用于各個方面。核武器作為強殺傷力武器首先被制造出來，并在二戰(zhàn)中得到運用，戰(zhàn)后，和平利用核能也發(fā)展迅速，美蘇等國相繼建立了核電站，使核能為人類服務(wù)，核武器是冷戰(zhàn)中軍事角逐的一個非常重要的部分，現(xiàn)在依舊是各國軍事實力的一把標(biāo)尺，在軍事中扮演了舉足輕重的作用。然而，核能的利用技術(shù)在這幾十年中未得到大幅度的進步，仍有許多像控制輻射、保障安全等的問題未得到解決，所以未給人民帶來較大的生活質(zhì)量提升，未使工業(yè)水平得到全面的進步。

為什么說它們不是一場完全意義上的變革呢？從以上幾次變革可看出：我們這里所說的生產(chǎn)力的變革必須要使人類社會生產(chǎn)力總體水平得到巨大的提升，必須要使多個而非少數(shù)幾個產(chǎn)業(yè)發(fā)生根本上的變化，還有就是要由能量的利用方式變革而引起的。然而，對電的利用歸根結(jié)底還是使化學(xué)能燃燒轉(zhuǎn)化成內(nèi)能進而得到所需的機械能，發(fā)電、輸電、用電這三個過程只是改變了能的運輸方式，減少了運輸中能量的損耗和浪費，卻沒有改變能量的來源和利用方式。信息技術(shù)在工業(yè)上的運用則更未改變能量來源和利用方式，它只是讓現(xiàn)有的技術(shù)高精化，以此實現(xiàn)工業(yè)的大幅進步，故人們也只是叫他“第三次科技革命”，而非“第三次工業(yè)革命”。核能的利用改變了能量的來源，使它從一開始的化學(xué)能變?yōu)楹四埽菫槭裁匆琅f不算是完全意義上的變革？是因為它雖然開創(chuàng)了核能利用的先河，但這個技術(shù)卻沒有得到完善和發(fā)展，所以它只是提高了幾個大國的軍事實力，而沒有改變整個工業(yè)的結(jié)構(gòu)，沒有大幅提升整個社會的生產(chǎn)力水平。所以雖然以上三次技術(shù)的進步都對社會造成了巨大的影響，在這里卻不算是完全意義上的變革。

2 歸納總結(jié)

唐太宗李世民曾說：“以史為鏡，可以知興替”我們研究歷史的目的，不是僅為了研究，而是為以后的決策、判斷提供借鑒。

現(xiàn)在反觀以往的五次變革，會發(fā)現(xiàn)他們有規(guī)律可循，概括來說，便是能量來源高質(zhì)量化，能量轉(zhuǎn)化人工化，能量轉(zhuǎn)化設(shè)備小型化和能量轉(zhuǎn)化步驟復(fù)雜化。

在20世紀(jì)之前，核能還未被人們發(fā)現(xiàn)，那么人的所有能量都來自于較低質(zhì)量的能量源。為什么說低質(zhì)量呢？因為火、畜力和熱機都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成其它形式的人類所需要的能（能量形式）。化學(xué)能，顧名思義，便是可以通過化學(xué)反應(yīng)釋放出來的能量，而在我們利用的提供能量的化學(xué)反應(yīng)中燃燒占絕大多數(shù)，但是燃料的熱值卻并不大（不同的燃料有不同的熱值，比如煤的熱值是3×107 J/kg，汽油是3.4×107 J/kg，但一般都是在107 J/kg的數(shù)量級上，大者如氫氣也不過3×108 J/kg）。這也就導(dǎo)致了若需要大量的能量，就必須要有大量的燃料，而數(shù)量一大，運輸、儲存的成本也大幅增加，在一定程度上制約了工業(yè)的發(fā)展。并且燃燒一般需要空氣中的氧氣為助燃劑。這樣一來，就使大量的能以內(nèi)能的形式散失了，造成了極大浪費。再說光合作用所利用的光能，光不像燃料可以稱重，但光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能卻耗費了很長的時間，占用了很大的空間（地球上陸地的1/4土地被用作農(nóng)田種植作物的種植，而非森林、草原的平原則被農(nóng)田占據(jù)了幾乎80%，而這些土地幾乎一年四季都種植著作物，就是這樣也不足喂飽這么多人口。光能雖然取之不盡、用之不竭，但因為地球距太陽太遙遠了，以至于到達地球的光少之又少，所以光能也是低質(zhì)量的能量源。相反，核燃料則可以大量提供能量，每1克的鈾便可以提供數(shù)百億焦耳的能量，其能源質(zhì)量不可謂不高。相同質(zhì)量的核燃料能提供相當(dāng)于化石燃料百萬倍的能量。后來，核聚變反應(yīng)也被人應(yīng)用于氫彈中，但尚未使它服務(wù)于民用工業(yè)，將來一旦氘、氦等核聚變?nèi)剂媳粦?yīng)用，它的能源質(zhì)量將比鈾等核裂變?nèi)剂细摺?/p>

反觀以往這幾種能量轉(zhuǎn)化過程，依然會發(fā)現(xiàn)問題，人類首先使用自然火，再掌握人工取火，后來使燃料在特定的地點（比如熱機）中燃燒。這個演變過程中，人類利用能源對自然的依賴越來越小、越來越按照人的意愿而非自然條件對能源進行多元化利用。比如說，一開始人只能摘取樹上的果實吃，后來則可以自己種想要的作物，現(xiàn)在甚至可以使用大棚、溫室等種植反季節(jié)作物，也表現(xiàn)了這種趨勢。能量轉(zhuǎn)化人工化不僅體現(xiàn)在人對自然的依賴越來越小，也表現(xiàn)在人類對一些反應(yīng)的創(chuàng)新：像煤和水混合加強熱生成水煤氣的反應(yīng)，在自然中本來很少或根本不存在，但人類利用了這個反應(yīng)，它也反應(yīng)了能量轉(zhuǎn)化人工化的趨勢。

能量轉(zhuǎn)化設(shè)備小型化比較容易理解，就是同樣功率轉(zhuǎn)化能量的設(shè)備的體積大小，一般可以表現(xiàn)為額定能量轉(zhuǎn)化功率和設(shè)備體積的比值。對牛、馬、驢等牲畜來說，這個值大約在3～5 kW/m3，蒸汽機則在50 kW/m3左右，內(nèi)燃機可以達到400～600 kW/m3，而飛機和火箭的噴氣發(fā)動機則能達到數(shù)千甚至上萬kW/m3。顯而易見，這個趨勢就是以更小體積的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備提供更大的能量轉(zhuǎn)化功率。

在古代社會，人們所利用的機械能一般是用牲畜將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化而成的，熱機發(fā)明了以后，在這個過程中加入了一個轉(zhuǎn)化媒介——內(nèi)能，電氣時代到來后又加入了發(fā)電和用電兩個步驟，若再加上處理能源的過程，過程將更加復(fù)雜。所以，從古至今，能量轉(zhuǎn)化過程是趨于復(fù)雜化的，趨于復(fù)雜的目的是什么？復(fù)雜化就是讓能量轉(zhuǎn)化過程更加適應(yīng)人類的需求，比如將能量轉(zhuǎn)化加入電的兩個過程，便是適應(yīng)人類對于運輸能量的需求。

3 展望明天

以史為鏡知興替的目的，就是要能更好地展望未來。

燃燒這個化學(xué)反應(yīng)我們?nèi)祟愐呀?jīng)使用了數(shù)十萬年了，在使用的過程中我們也不斷尋找新的熱值更高的燃料，探求能讓燃料放出更多能的方法，但收效甚微，幾十萬年也不過將燃燒放出的能提高了寥寥幾成，過后的研究效果也不會更好。所以要得到高質(zhì)量的能源，必須寄希望與核能。核反應(yīng)無需空氣，不會排放污染物，非常適合在空氣稀薄的高空或真空宇宙中使用，只要能做好放射防護措施，核能將會在各個領(lǐng)域中起巨大作用。它可以高效地應(yīng)用于航天、航空、發(fā)電、冶煉、航海等很多需大量能量的產(chǎn)業(yè)。尤其是航天，改變能量來源可以大大減輕航天器的重量，從而可能引起又一次的航天發(fā)展高潮。

由熱力學(xué)第二定律可知：任何能量轉(zhuǎn)化過程中，轉(zhuǎn)化效率一定會小于100%，那么轉(zhuǎn)化步驟越復(fù)雜，所浪費的能量也將越多。所以當(dāng)能量轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜到一定程度，一定會開始簡化，直到簡化成只需一步?，F(xiàn)在不論是化學(xué)能還是核能的利用，都是先將其轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，再獲得所需的形式的能量，要知道，內(nèi)能極容易通過三種能量傳遞方式散失，所以若將內(nèi)能這一步跳過，生產(chǎn)力將會獲得前所未有的大進步。

4 結(jié)語

實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化過程的簡化，最大可能的提高轉(zhuǎn)化效率，是人類利用能量，提高生產(chǎn)力的發(fā)展趨勢。如何跳過內(nèi)能轉(zhuǎn)化這一步，我無法預(yù)測，但我知道，這不能依賴自然中所存在的方式，需要人為創(chuàng)造這種轉(zhuǎn)換方式，繼續(xù)延續(xù)轉(zhuǎn)化過程人工化的趨勢，使人真正地生于自然而高于自然。

參考文獻

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