汽车加水就能跑？想想月薪3000的人如何买到3百万的车 | 袁岚峰
如果你只看整个过程中的一步，从水获得氢气，就以为做到了什么了不得的事情，所谓“车辆只需加水即可行驶”，那么你就犯了一个巨大的错误。这个错误就好像这个笑话：月薪3000元的人如何买到300万元的汽车呢？
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2019年5月下旬，一条所谓科技新闻引发了舆论哗然。这条新闻是什么呢？大家想必都知道了：《南阳新闻联播》和《南阳日报》报道，《水氢发动机在南阳下线，市委书记点赞！》。
《南阳日报》报道：水氢发动机在南阳下线，市委书记点赞！
让我们来看一下这篇令人亮瞎眼的报道的开头：
“水氢发动机在我市正式下线啦，这意味着车载水可以实时制取氢气，车辆只需加水即可行驶。
5月22日上午，市委书记张文深到氢能源汽车项目现场办公时，为氢能源汽车项目取得的最新成果点赞。市委副书记、市长霍好胜参加现场办公。
张文深、霍好胜实地察看了氢能源汽车项目建设，观看了下线的水氢发动机的工作演示。张文深指出，水氢发动机在我市下线，使氢能源汽车项目前景一片光明，更加坚定了我们发展氢能源汽车项目的信心和决心。张文深、霍好胜还和大家一道饶有兴致地乘坐了氢能源样品公交车，‘体验的感觉很好，舒适、平稳。’大家连连称赞。”
这件事背后有什么隐情内幕，我们不得而知。但无论如何，科学原理是判断此事性质的基础。在这里，我就来给大家普及一下相关的科学原理。事实上，跟此事有关的科学原理至少包括三个层面。
第一个层面，是一个最最普遍的大道理，叫做能量守恒定律，又称为热力学第一定律。
我们知道，世界上有很多种能量。物体整体的运动对应动能，物体内部分子的无序运动对应热能，弹簧压缩有弹性势能，物体在引力场中有引力势能，化学反应释放化学能，核裂变与核聚变释放的是核能，如此等等，千变万化。
每一种能量形式都可以增加，或者减少。例如汽车可以开动，也可以停下，对应汽车动能的增加和减少。但关键在于，每一种能量的变化都必然伴随着其他能量的变化，而各种能量的总和是不会变的。也就是说，如果一种能量增加了，那么必然有其他某种能量减少了。宇宙这本大书的总账总是平衡的。用日常的比喻来说，就是“世上没有免费的午餐”，能量不可能无中生有。
能量守恒定律告诉我们，一个体系如果经过一系列变化，最后回到初始状态，那么它放出的总能量必然等于0。我们根本不需要去看中间过程的细节，就可以判断，不可能通过一个循环的过程获得能量。
这个道理看似很简单，但许多人并没有理解。经常有人来问我，能不能电解水制备氢气，然后用氢气推动汽车？我回答，氢气和氧气燃烧生成水放出的能量，必然等于电解水消耗的能量。因此这样做没有任何好处，这根本不算什么新能源。
如果上面这个例子让你觉得too simple too naïve，那么下面这个例子就显得上档次多了。我在讲核聚变是人类有望掌握的最强的能源的时候，有不少人评论说，反物质是更强的能源。你觉得这种说法怎么样呢？
从质能关系的角度看，核聚变能够把0.7%左右的质量转化成能量，正反物质湮灭却是把100%的质量转化成能量。在这个意义上，正反物质湮灭当然比核聚变强大得多。但问题在于，反物质算是能源吗？
事实上，宇宙中并没有天然的富含反物质的地方，至少我们现在还没有发现。我们现在能够获得的一点点反物质，都是通过加速器之类的办法，人工制备出来的，而且制备和保存非常困难。当然困难了，因为反物质一碰到正物质就会湮灭，能不困难吗？！而且，制备反物质消耗的能量，必然等于它跟正物质湮灭放出的能量。
因此，反物质不能算作能源，最多算作一种储存能量的手段，但这种手段也是非常不方便的。那些乐滋滋地宣称反物质是比核聚变更强的能源的同学，怕不是对“能源”这个词有什么误解？请注意“能源”的“源”字！
顺便说一句，宇宙中是不是存在比核聚变更强的能源呢？最近我知道了，在某种意义上还真有，就是黑洞喷流。这是我的同事、科大天文系的袁业飞教授告诉我的，他是黑洞研究专家，过不久大家就会看到我和他谈第一张黑洞照片的科技袁人plus节目。
黑洞会把附近的物质吸到自己周围，形成一个旋转的吸积盘。同时，在垂直于吸积盘的两个轴线方向，会有一部分物质以接近于光速的速度喷射出去，这是把引力势能转化成动能。黑洞喷流的质能转换效率可以高达40%，远远高于核聚变。这是宇宙中最壮观的景象之一，原则上也是一种可资利用的能源。当然，前提是你得有办法到达黑洞附近，因此，我们仍然需要核聚变！
黑洞喷流
看完了黑洞，让我们回到地面上南阳的这出闹剧。第二个层面的科学原理，是水能不能作为能源。
在有一类宣传中，水确实是一种能源，而且经常被称为取之不尽用之不竭的能源。这就是核聚变的宣传。例如，人们经常看到这样的说法：一升水中包含的能量，相当于300升汽油。
这种说法可以认为是正确的，但它是什么意思呢？它实际说的是，氢的同位素氘（D）和氚（T）可以作为核聚变的燃料，把一升水中包含的D取出来，它发生核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧放出的化学能。
不过，核聚变需要超高的温度和压强。以目前的技术水平，还远远没有实现核聚变的有效利用。在日常生活中，我们是产生不了核聚变的，如果把水作为原料，那么涉及的只是化学能。而在化学能的层面上，水就是一种相当糟糕的原料。
为什么呢？因为化学反应的本质是反应物中原子的重新组合，产生新的分子。如果产物分子中原子结合得比反应物中紧密，也就是说，产物分子的能量低于反应物分子的能量，那么根据能量守恒定律，就会向外释放出能量。
而水分子中氢原子和氧原子的结合是非常紧密的，如果换成其他的组合方式，十有八九能量会升高，而不是降低。也就是说，很可能会吸收能量，而不是放出能量。这就是为什么氢气是燃料，碳是燃料，一氧化碳是燃料，甲烷是燃料，磷是燃料，硫是燃料，等等等等，许多物质都是燃料，但水不是燃料，因为水的能量已经无法通过氧化反应降低了。
那么，用到水的发动机是完全不可行的吗？那倒也不见得。这就引出了第三个层面的科学原理：置换反应。
水分子中氢原子和氧原子的结合固然十分紧密，但化学的有趣之处在于，强中更有强中手，总是有其他物质能够跟氧原子结合得更加紧密。如果这种物质跟水反应，就可以把水中的氧原子夺去，剩下的氢原子以氢气的形式放出来。这就是置换反应。
在南阳的这篇报道引发了很多批评之后，有科技工作者指出，这个所谓水氢发动机用的可能是铝合金粉末。用铝（Al）跟水反应，生成氢氧化铝（Al(OH)3），置换出水中的氢，然后用氢气燃烧推动汽车。
事实上，铝合金是大家在生活中经常见到的，例如铝合金门窗。那么，为什么它们没有一遇到水就反应呢？因为一般而言，铝在空气中氧化得非常快，会生成一层致密的氧化铝（Al2O3）薄膜。这层薄膜隔绝了下面的铝跟外界的接触，防止了进一步反应，这种效应叫做钝化。而铝加水制氢的诀窍，就在于铝合金粉末中有某些成分的添加剂，使得钝化不发生，从而铝可以源源不断地跟水反应。
在这个层面上，可以认为铝加水制氢是一个正常的研究，是有技术含量的。大家了解这层科学原理，也是一件好事。
但是，我们需要指出，这仍然不能使南阳这件事成为好事。这件事一望可知令人吐血的是它的宣传方式，充满了传销和民科的风格。涉及的公司青年汽车及其总裁庞青年，也早就被列入了全国失信被执行人名单。为什么这样的项目还能获得南阳市政府的支持，这背后有什么神奇的原因，那就要等待进一步的调查了。在这里我们只说宣传的问题。
假如真的是铝加水制氢，那么你就老老实实地说是铝加水制氢不就得了？为什么起个哗众取宠的名字“水氢发动机”？如果真的是铝加水制氢，那么实际用到的能量是单质铝中的化学能，而不是水中的化学能。也就是说，这里的储能材料是铝，而不是水。那么多宣传人员、技术人员，据说南阳市政府的领导也是理科毕业的，这么多人都看不出“水氢发动机”这个名字十分荒诞吗？
如果真的是铝加水制氢，那么这种方案在科学原理上是可行的，下一步是经济性的问题。有许多人指出，这种技术路线的性价比不高，还远远不到成熟的程度。
工信部也发了声明：截至目前，仍未收到青年汽车公司该车型的产品准入申请，该车型未获得产品公告。按照《中华人民共和国道路交通安全法》规定，目前这款车型不能生产销售和上路行驶。此外，针对社会各界关注的“骗补”疑问，工信部也回应称，该产品没有列入《车辆生产企业及产品公告》，不能申请新能源汽车补贴。
我们在这里不打算进入技术路线经济性的具体讨论，只是想说明一点：铝加水制氢不算一种能源，只算一种储能手段。
这种技术路线完整的过程是，铝消耗完以后，再用电解的方法，把产物的氢氧化铝转化成单质铝。根据我们在前面讲的第一个层面的能量守恒定律，电解制备铝消耗的能量，必然等于后面放出的能量，因此在整体上你是不可能赚到能量的。
事实上，电解制铝的成本很高，制备关键成分添加剂的成本也不知道会有多高，因此这种做法的经济性很可能远不如传统的汽油车，也不如现有的用电池的电动汽车。如果它可以有用的话，那么可能是作为一种电动车的储能手段，在电池耗尽之后用铝来维持运动，提高续航里程。
因此，如果你只看整个过程中的一步，从水获得氢气，就以为做到了什么了不得的事情，所谓“车辆只需加水即可行驶”，那么你就犯了一个巨大的错误。这个错误，就好像下面这个笑话：
月薪3000元的人如何买到300万元的汽车呢？
有一位青年在一家公司上班，月薪3000元。公司安排食宿。上班都走路。一个月电话费20-30元。平时不买衣服，不买鞋，也不抽烟，不喝酒。生活用品，一个月100元。交通费用，偶尔出门要坐公交，一个月20元。不上班的时候不去玩，都在看书，一个月花30元买书。其他突发事件的花费，一个月500元左右。剩下的全都存银行。这样省吃俭用辛辛苦苦存了一年，终于存够了3万元。
到了年底，加上这位青年的老爸给他的297万元，他终于买到了一辆价值300万元的豪车。——这个故事真是太励志了！
背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，青年科学家社会责任联盟理事，中国无神论学会理事，安徽省科学技术协会常务委员，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
责任编辑：孙远
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