電動車靠一粒灰塵跑500公里?電池充電重量變化引質能方…


電動車靠一粒灰塵跑500公里?電池充電重量變化引質能方程爭論的頭圖

電動車靠一粒灰塵跑500公里?電池充電重量變化引質能方程爭論

  • 電動車充電後會變重?

如果你的汽車燒的是95#汽油,去加油站加了50升油後,汽車重了多少?這個問題難不住老司機:我們知道95#汽油的密度是0.737克/毫升,一公升汽油就是0.737千克,汽車加了50升汽油後大約會增加36.85千克(跟溫度也有一定關係)。

假設一輛汽車加50升油可以跑500公里,另一輛電動汽車充滿一次電也能跑500公里,是不是說這電動汽車充滿電後會變重36.85千克呢?你肯定會說:你傻呀!那是充電的車,不可能重那麼多!

有車企說充滿電可跑500公里

電動汽車充電後重量會有變化嗎?如果是變重了,它到底會變重多少呢?這個問題就有許多人答不上來了,即便是個老司機,他也只能胡猜。我們最常聽到的一種說法是:這個問題需要用質能方程,計算充進去的電能到底轉化成了多少質量。

其實你猜錯了,正確答案是:給鋰電汽車充電後,它的重量一點都不會變,既不變重也不會變輕。

電池充滿電後真會變重?

  • 質能方程是萬金油?

自從愛因斯坦老先生提出狹義相對論,並且給大家寫了個質能方程E=mc? 後,許多人將其奉為珍寶,言必稱“質量等於能量”。

愛因斯坦提出質能方程

現在有一款國產電動車電池容量標稱為100千瓦時,據說能跑610公里。如果用質能方程,我們來計算一下它充滿電之後變重了多少:

用E=mc? 求質量,可以寫成m=E/c? ,這裡質量m的單位是千克(kg),能量E的單位是焦耳(J),c為光速常量,c?大約為10??

我們將100kWh乘以1000再乘以3600,得出電池能量的焦耳值,再除以c? :

100×1000×3600÷10 ?? = 3.6×10?

按照質能方程,一輛電動汽車的100千瓦電池充滿電後只重了3.6微克,你不可能用設備測量汽車重量增加了多少,因為它只是1粒灰塵的重量。

用一粒灰塵的質量跑500公里?

你能想像電池將一粒極小灰塵的能量釋放出來,推著汽車跑500或600公里嗎?一定有什麼地方出了問題。

  • 水的質量增加了?

讓我們來打個比方:我們用一桶10千克的水沖刷地面,與將這桶水從一樓拎到六樓、再從六樓倒下來潑向地面,哪一個衝擊力更大?自然是從六樓倒下來的力度更大,因為水的重力勢能更大。從一樓將水提升到六樓,我們對水輸出了功率(做功),水的質量增加了嗎?並沒有。我們對水做的功並沒有轉換為水的質量,而是轉換成了水的重力勢能。

高度上升,水的重力勢能增大

  • 充電改變了什麼?

我們將充電插頭連接到電動汽車上,向電動汽車的電池裡輸入了什麼?是電子嗎?

如果充電插頭源源不斷輸入的是電子,那就不難理解汽車在充滿電之後會變重,因為電子是有質量的基本粒子。但事實上,電流的實質是電磁波能量在線路中的傳遞,電子只不過是被電磁波驅使著在線路中移動罷了。

汽車鋰電池在充電前後自由電子的數量並沒有改變,電池的總質量也不會發生變化。

我們向汽車鋰電池充電的過程實際上是改變電池內部化學能的過程,無論電池充電或者放電,都不會因為能量的輸入輸出而產生或破壞質量,而是化學成分發生了變化。

充電改變了電池內部的化學勢能

你用質能方程進行計算在數學上是正確的,但通過充電將能量轉換為質量的想法卻並非如此。電池能量的來源是電池內部化學成分從一種狀態的自由能(一種熱力學術語)轉變為一種較低狀態自由能,在這個過程中,電池兩端產生電勢差驅使著電子在電路中移動;充電的過程正好相反,我們通過外部能量的輸入,使電池內部物質的化學成分進行了改變,從而將電能轉換成了化學勢能。

這就跟我們用力把一桶水拎到六樓再倒下去是同樣的道理。

充電與我們拎水上樓是一樣道理

  • 愛因斯坦錯了嗎?

愛因斯坦並沒有錯。質能方程最初用來解釋粒子在靜止參考系中的能量與慣性質量之間的關係,它表示少量靜止質量的粒子可以對應大量的能量,而與物質的組成成分無關。

這不代表所有涉及能量交換的現像我們都可以套用質能方程來解釋。在電動汽車充電的例子裡,電能的輸入僅僅是改變了電池陰極的化學成分,把其中的鋰離子拽到了電池陽極的石墨孔隙裡,從而提高了電池的化學勢能。無論是充電還是放電,電池的質量沒有發生變化,車的重量也不會發生變化。

正確理解電池能量