人类社会文明每向前推进一步都需要得到能源的支持。薪柴时期，我们从食物、水和风中获取能量，但这些能源自身存在不足。食物有生长周期，也有丰年和灾年之分；水和风有季节性差异，存在干旱无雨或无风情况，也存在暴雨成灾或飓风等情况，这些状况说明这些能源并非随时可用。人类社会的发展需要更为高效的能源，历史把这个机会给了煤炭。

人类使用煤炭作为能源也不是突然发生的事情，纵观历史，这也是随人类生活和生产需求而产生的。

11世纪中国宋朝，中国人使用木炭炼铁（早于欧洲400多年），后因木材短缺而几乎停顿，再后来因为在中国北部地区发现并使用丰富的煤炭而解决了问题。虽然中国人使用煤炭时间早于英国人，但是因大量使用煤炭而产生的工业革命并没有落在中国，可能是当时北方战乱多导致经济中心南移，远离了煤炭矿藏丰富的北方的原因。直到20世纪中国人才广泛使用煤炭来代替生物质能源。

随着社会的发展，细分行业不断增加，对能源的需求不断增加，各国出现木材短缺的情况。17世纪初，荷兰人开始大量使用泥炭来取暖、烹饪和生产，荷兰煤炭矿藏少而泥炭储量丰富。因此，第一次工业革命也没有发生在荷兰。

英国煤炭储量丰富，但到了18世纪初，地表浅层煤炭很快就被挖完，于是开始挖深井煤矿，但很快遇到了坑洞积水问题。为了将矿井中的水抽出，动用了人力、畜力、风车、水车等，但都没能解决问题。因为这些能源提供的能量不足以解决高效抽水问题，直到英国人托马斯·纽可门发明了蒸汽机才解决了这个问题。

这里要提一下现代能量转换观点。人类利用能量的过程实质上是能量的传递和转换过程，即能量从一个地方传递到另一个地方或者从一种形式转换成另一种形式。我们来看人类主动用火过程，无论是钻木取火还是碰撞燧石取火，都是一个摩擦生热过程，也就是机械能转换成热能的过程。在薪柴时期的几千年中，没有人探索过它的逆过程，即热能能否转换成机械能。有了火之后的几千年中，人类烹饪或冶炼金属，都是热能到热能的利用。直到生产中需要更好的能量来代替畜力和人力时，人类发现蒸汽能够实现热能转换成机械能而提供动力，于是蒸汽机问世了。

纽可门蒸汽机一上市，就被大量用于矿井抽水，从而进一步促进了煤炭的开采。1764年，英国人詹姆斯·瓦特改良了纽可门蒸汽机，使其出力提高了2倍，应用范围也从矿井抽水扩展到磨粉、造纸、冶炼等行业。之后，高压蒸汽机就问世了，带给英国真正的工业革命。首先对交通运输业产生了重大影响，有了蒸汽机火车和轮船，大大缩短了人们之间的距离；其次，因瓦特发明而影响最大的行业是纺织业，机器织布使全球衣服制成品产量呈指数级数增长，造就了一大批纺织工人。

第一次工业革命改变了全球政治经济格局。18世纪，印度、中国和欧洲的GDP累计占全球的70%（各占约三分之一），但到了20世纪初，中国跌至7%，印度跌至2%，而欧洲上升至60%，美国为20%。煤炭的使用把英国推上了世界霸主地位。

古人云，“祸兮福所倚，福兮祸所伏”。正当人们庆祝蒸汽机给人类带来繁荣时，煤炭带给环境的危害也在同时降临。

英国人大量使用煤炭之后，逐渐发现伦敦烟雾弥漫的天气异常难受，不再是人类适宜的居住地。1952年12月的一天，伦敦人起床后发现天空中雾气（按现代标准就是雾霾）异常浓重，能见度只有几米，天黑得如同夜晚一般，更糟糕的是很多人出现窒闷难忍的症状，很快各个医院都挤满了生命垂危的病人。对大雾天气司空见惯的伦敦人这时候开始惊慌失措了。事后统计，在短短的几天里竟夺去了4 000多人的生命，这就是著名的伦敦烟雾事件。伦敦烟雾事件证实了煤炭带给环境的危害，那么问题出在哪儿呢？

现代科学告诉我们，煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤的元素成分为：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）等，燃烧过程中转换为烟气（CO2、NOx、SO2等气体）和粉尘。其中，基本化学原理如下。

碳（C）元素为煤炭中主要提供热量的元素，燃烧后生成二氧化碳。排放到大气中的二氧化碳会增加大气的保温效果，是全球气候变暖的主要因素（也称温室气体效应）。(www.daowen.com)

C＋O2＝CO2

氢（H）元素在燃烧后生成水，对环境没有影响。

2H2＋O2＝2H2O

氮（N）元素在燃烧后生成氮氧化物，如一氧化氮NO排入大气时遇水会形成酸雨而危害环境。

4NO＋2H2O＋3O2＝4HNO3

一氧化氮（NO）还会破坏大气的臭氧层而使地表遭受过量紫外线照射。

NO＋O3＝NO2＋O2

硫（S）元素在燃烧后生成有害气体二氧化硫，排入大气时遇水形成酸雨也会危害环境。

2SO2＋O2＝2SO3

SO3＋H2O＝H2SO4

从上述分析可以看出，煤炭燃烧一方面给人类提供了高效的热能，但另一方面煤炭的燃烧产物给人类居住的环境带来危害。持续、大量地排放二氧化碳，打破了薪柴时期植物吸收二氧化碳的平衡，造成地球表面温度不断上升；有害气体和粉尘的排放直接威胁着人类的健康。伦敦烟雾事件就是煤炭燃烧后生成的有害物质造成的。所以说，煤炭时期能源与环境的关系变得不是很友好，人类面临着温室气体效应、排烟污染和粉尘污染等三大环境问题的挑战与考验。