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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质能方程争论

老粥科普 2021-01-20 浏览139次

电动车充电后会变重？

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，不可能重那么多！

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？

质能方程是万金油？

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=mc? 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=mc? 求质量，可以写成 m=E/c? ，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，c?大约为10??

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

100 × 1000 × 3600 ÷ 10??= 3.6×10??

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。

水的质量增加了？

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

充电改变了什么？

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。