对于交通工具来说,电动系统似乎有着更天然的优势。这主要是因为,燃油系统需要在高温下输出动能。在热力学中,有一种经典的模型叫卡诺热机,它给出了一条简单的结论,也就是高温热源和低温热源的比值越大,效率就越高。最极端的情况,燃油发动机如果在室温下工作,它就只能提供热能,不能提供动力。但是,也正是因为高温,燃油发动机必然还会有大量的热散发到空气中,没法有效利用。
在这个过程中,汽油和氧气混合之后,还会出现爆震的现象,这也会降低燃油效率,所以我们必须要在汽油中添加抗爆剂,汽油的标号92#、95#等等,其实就是抗爆指数。
相比之下,电动系统就没有这些问题,理论上讲,它可以百分百把电能转化为动能,不仅如此,它还可以把刹车等过程损耗的动能重新转化为电能储存起来,锦上添花。所以,如今燃油与电力混合动力的优点也就凸显出来了。只不过,从燃油到电力的转化,还是会损耗很多能量。
那么,人体又是怎么降低能耗的呢?
实际上,把食物的热量转化为动能,需要经过很长的过程。很多人应该都还记得三羧酸循环,这就是人体有氧代谢的最终路径,不管是脂肪、蛋白质还是碳水化合物,都会走到这一步。
以三羧酸循环为例,人体利用多种酶,还有可以接纳氢的NAD+和FAD(两种物质均属于核苷酸),在37℃条件下,就实现了营养物质的氧化,并且最终将能量储存在ATP(三磷酸腺苷)中,由它来输出能量。
三羧酸循环示意图,来源于网络
脂肪等物质,其实和烃类的汽油一样,能量很难被直接利用。但是ATP就不同了,它是一种化学性质活泼的高能物质,能量很容易就会释放出来。
关键是,这个转化率还很高。如果以葡萄糖计算,转化为ATP的能量效率大约是40%,这已经赶得上最优秀的燃油发动机了。然而,从脂肪到ATP,却是经过了十多步化学反应。试想,哪怕每一步能量的保持效率为90%,经过9步以后,也已经不到40%了,可见这些生化反应的效率有多高。
根据这个思路,如果我们也找到一种可以储能的高能分子,就像ATP一样,汽油和氧气在发生化学反应的时候,它们及时地将能量吸走,变成激发态,然后再释放出动能。
这当然还只是畅想,但并非没有可能。准确地说,汽油燃烧也是这么个过程,烃类分子的能量,转化为高能的各种自由基,只不过自由基太过高能,不能稳定存在,很快就会把自身的内能释放出来,这也是爆震会发生的重要原因