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电动车靠一粒灰尘跑500公里?电池充电重量变化引发质能方程争论

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  如果你的汽车烧的是95#汽油,去加油站加了50升油后,汽车重了多少?这个问题难不住老司机:我们知道95#汽油的密度是0.737克/毫升,一公升汽油就是0.737千克,汽车加了50升汽油后大约会增加36.85千克(跟温度也有一定关系)。

  假设一辆汽车加50升油可以跑500公里,另一辆电动汽车充满一次电也能跑500公里,是不是说这辆电动汽车充满电后会变重36.85千克呢?你肯定会说:你傻呀!那是充电的车,不可能那么多!


  有车企说充满电可跑500公里

  电动汽车充电后重量会有变化吗?如果是变重了,它到底会变重多少呢?这个问题就有许多人答不上来了,即便是个老司机,他也只能胡猜。我们最常听到的一种说法是:这个问题需要用质能方程,计算充进去的电能到底转化成了多少质量。

  其实你猜错了,正确答案是:给锂电汽车充电后,它的重量一点都不会变,既不变重也不会变轻


  电池充满电后真会变重?

  自从爱因斯坦老先生提出狭义相对论,并且给大家写了个质能方程 E=mc² 后,许多人将其奉为珍宝,言必称“质量等于能量”。


  爱因斯坦提出质能方程

  现在有一款国产电动车电池容量标称为100千瓦时,据说能跑610公里。如果用质能方程,我们来计算一下它充满电之后变重了多少:

  用 E=mc² 求质量,可以写成 m=E/c² ,这里质量m的单位是千克(kg),能量E的单位是焦耳(J),c为光速常量,c²大约为10^17

  我们将100kWh乘以1000再乘以3600,得出电池能量的焦耳值,再除以c² :

  100 × 1000 × 3600 ÷ 10^17 = 3.6×10^-9

  按照质能方程,一辆电动汽车的100千瓦电池充满电后只重了3.6微克,你不可能用设备测量汽车重量增加了多少,因为它只是1粒灰尘的重量。


  用一粒灰尘的质量跑500公里?

  你能想象电池将一粒极小灰尘的能量释放出来,推着汽车跑500或600公里吗?一定有什么地方出了问题。

  让我们来打个比方:我们用一桶10千克的水冲刷地面,与将这桶水从一楼拎到六楼、再从六楼倒下来泼向地面,哪一个冲击力更大?自然是从六楼倒下来的力度更大,因为水的重力势能更大。从一楼将水提升到六楼,我们对水输出了功率(做功),水的质量增加了吗?并没有。我们对水做的功并没有转换为水的质量,而是转换成了水的重力势能。


  高度上升,水的重力势能增大

  我们将充电插头连接到电动汽车上,向电动汽车的电池里输入了什么?是电子吗?

  如果充电插头源源不断输入的是电子,那就不难理解汽车在充满电之后会变重,因为电子是有质量的基本粒子。但事实上,电流的实质是电磁波能量在线路中的传递,电子只不过是被电磁波驱使着在线路中移动罢了。

  汽车锂电池在充电前后自由电子的数量并没有改变,电池的总质量也不会发生变化。

  我们向汽车锂电池充电的过程实际上是改变电池内部化学能的过程,无论电池充电或者放电,都不会因为能量的输入输出而产生或破坏质量,而是化学成分发生了变化。


  充电改变了电池内部的化学势能

  你用质能方程进行计算在数学上是正确的,但通过充电将能量转换为质量的想法却并非如此。电池能量的来源是电池内部化学成分从一种状态的自由能(一种热力学术语)转变为一种较低状态自由能,在这个过程中,电池两端产生电势差驱使着电子在电路中移动;充电的过程正好相反,我们通过外部能量的输入,使电池内部物质的化学成分进行了改变,从而将电能转换成了化学势能。

  这就跟我们用力把一桶水拎到六楼再倒下去是同样的道理。


  充电与我们拎水上楼是一样道理

  爱因斯坦并没有错。质能方程最初用来解释粒子在静止参考系中的能量与惯性质量之间的关系,它表示少量静止质量的粒子可以对应大量的能量,而与物质的组成成分无关。

  这不代表所有涉及能量交换的现象我们都可以套用质能方程来解释。在电动汽车充电的例子里,电能的输入仅仅是改变了电池阴极的化学成分,把其中的锂离子拽到了电池阳极的石墨孔隙里,从而提高了电池的化学势能。无论是充电还是放电,电池的质量没有发生变化,车的重量也不会发生变化。


  正确理解电池能量

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