煤炭和石油是两种重要的能源。18世纪，煤炭的开发利用促成近代工业革命的开始，奠定了现代文明的基础。19世纪，石油的大规模开发和利用，极大地丰富了物质社会，帮助工业发达国家实现了国民经济现代化。煤炭和石油为人类社会进步做出了重大贡献。
从木炭到煤炭
自从原始人点燃第一把火，人类社会进入了新的发展期。原始人开始使用木柴燃烧的火驱暗照明，抵抗严寒，御野兽；用火冶炼金属，制造工具；最重要的是，火可以增加食品的品种，同时使吃熟食成为可能，吃熟食促进了人体特别是大脑的发育，从而大大加快了人类进化的步伐。
火对人类来说实在太重要了，必须千方百计使火继续燃烧下去，这就带来了燃料的问题。人类一开始最容易得到的也是最好的燃料就是木头。原因是：在原始人生活的时代，地球上到处是茂密的森林，木头随手可得。只要木柴干燥，它就很容易被点燃，而且不会转瞬即灭。因此人类在相当长的时间里，直接使用木头作燃料，烧水煮饭，取暖御寒。
人类在使用火的过程中经常会有新的发现。冬天为了取暖，人类就会把一大堆木头放在一起点燃，木头燃烧时迸发出可观的火焰和热量，可是木头燃烧也很快，要维持下去就必须不断往火堆上添加新木头。火堆表面的木头经过充分燃烧，剩下的只是白色灰烬，而柴堆里面的木头并没有完全烧尽，每次火堆熄灭后都能从燃烧过的木柴堆里层找到一些“黑色木柴”。这些“黑色木柴”仍然可以点燃，只不过它不再像干木柴燃烧时那样进发熊熊火焰，而是温和地燃烧、炽热，然后慢慢变成灰烬。后人把这种着过火后又未充分燃烧的“黑色木柴”叫做木炭。
为什么木头着过火后留下黑炭？木炭与木头有什么不同？这要从木柴的燃烧过程说起。
木柴中有两种重要的原子：碳原子和氢原子。碳原子约占木头总量的50%，氢原子不足木头总量的7%。在高温的作用下（如用火点燃木头），木头不断地分解，释放出气体，碳原子遇到空气里的氧气会发生强烈的化合反应，生成了二氧化碳气体并放出大量的热。
碳+氧气高温下二氧化碳+热量
氢原子同氧气经过化学反应生成水，只是水汽遇热迅速蒸发了。
氢+氧气高温下水
当一堆木头堆在一起燃烧时，火堆外层的木头燃烧最充分，转化为大量的气体和热量，剩下的一点是近乎白色的灰烬。而空气要进入木柴堆里面十分困难，中间部分没有足够的氧气，碳原子当然不能充分燃烧。即使氧原子通过重重阻力到达木堆中心，也要先和氢原子结合，因为氢原子较之碳原子更容易和氧原子结合。这样，在木柴堆内层部分，就组成了一些主要由碳原子构成的集合物，颜色是黑色的。这种在着过火后留在木柴堆中间的黑色物质被叫做“碳化”了的木柴，也就是木炭。
当一场火灾过后，你总会看到没有烧尽的门窗、木梁都被熏烧得黑黑的，就是因为氢原子首先和氧原子化合，而把碳原子留了下来的缘故。
如果把木炭放入火中，木炭中的碳原子又有了和氧原子充分结合的机会，碳原子就会燃烧起来。木柴燃烧时，有碳、氢、氧和其他一些原子一起发生强烈的化合反应。相比之下木炭中只有碳和氧参加的化合反应就“温柔”了许多，碳原子燃烧时不会噼噼啪啪地乱炸火星，而是缓缓地燃烧，持续时间也长。
正是木炭这种燃烧的特点，使古人在走出山洞，住进自己建造的小木屋时，逐渐开始用木炭作为室内取暖的燃料。木炭有它的优点，使用的人也越来越多，人们就开始想办法大量地“仿造”。他们先把一大堆木头点燃，然后在上面压上一些土，阻止空气中的氧气大量进入木柴堆。缓慢燃烧的结果，木柴变成了黑色木炭，人类也第一次完成了“仿造”燃料的工作。
木炭除了作燃料外，还有许多其他用途，其中一个重要的用途是用木炭冶炼金属。金属矿石大多是金属氧化物，加入木炭烧炼，在高温下，碳原子与矿石中的氧原子结合，留下来的就是金属。人类在学会使用煤以前，一直用木炭冶炼金属。
在我国的唐代，科学技术在很多方面处于世界领先的地位。其中火药的发明是对人类的重大贡献之一。劳动人民在长期实践中发现：硝石、硫磺和木炭的混合物，在燃烧时会发生强烈的爆炸，从而发明了黑火药。黑火药是按下列比例配制的：硝酸钾占75％，木炭占15％，硫磺占10％。黑火药被点燃时，硝酸钾、木炭和硫磺在瞬间发生强烈的化学反应，产生大量的气体并迅速膨胀了几十倍、几百倍，同时放出大量的热，对周围的物体产生极强的摧毁力，这就是爆炸现象。黑火药所储存的化学能在爆炸中迅速转变成机械能。人们用火药的能量开发矿藏、改造山河，大大提高了改造自然的能力。
木炭质松多孔，它能把一些气体和溶解在溶液中的溶质吸附到自己的孔隙中，这种现象叫做“吸附作用”。现代人利用这一性质，对木炭进行特别加工。将木炭隔绝空气加热，并不断地通入水蒸气，这样可以疏通被堵塞的空隙，使之具有更大的吸附能力。经过这种加工的木炭叫做“活性炭”。利用活性炭可以制作防毒面具，活性炭会把空气中有毒气体过滤掉，保证人们安全地工作。
现代人吃的白糖大部分是从甘蔗里榨制出来的，刚刚榨出来的粗制糖溶液含杂质很高，颜色也不很白，加入一些黑色的活性炭，杂质被它吸附后，糖溶液变干净了。再经过蒸发，得到的就是雪白雪白的糖。
古人在使用木炭做燃料的同时，又发现了一种黑色石头遇火也能燃烧，燃烧的时间比木炭更长，释放的热能也更多。这就是我们今天说的煤。
煤的主要成分是碳元素，含量在60％以上，所以煤燃烧时火力猛、时间长。它的发热能力比木炭大半倍，比木柴大1～3倍。1千克煤完全燃烧时放出的热量，如果全部利用，可以使70千克冰凉的水烧到沸腾。
我国是最早认识和使用煤的国家。唐宋以前，煤这个字的含义不是指今天的煤炭，那时煤有另外一些称呼，如石涅、墨金、石墨、石炭等等。目前已知最早见于文字的名字是石涅，出现在战国时期的古书《山海经》中，书中几处谈到了煤：
经考证，《山海经》中记载的石涅就是煤。女床山在陕西岐山，风雨山在四川双流和什邡一带，两地均是煤炭分布地区。晋朝人把煤称呼为“石炭”，南宋末年才有了“煤”的称呼。
煤炭除了做燃料外，一个更重要的作用是冶炼金属。我国在汉代以前，冶炼金属主要用木炭。用木炭炼铁杂质少，质量高，缺点是火力不够强大，炉内温度不能升得很高，效率低。而用煤的优点是火力强，效率高，缺点是杂质多。随着铁的需求量增大，对铁的产量和效率要求越来越高，煤才逐渐代替了木炭。
考古发现，我国从汉代开始用煤炭冶炼金属。而最早记载用煤冶铁的文字见于晋代《西域记》一书：“屈茨北（今新疆库车一带）二百里有山，夜则火光，昼日但烟，人取此山石炭，冶此山铁，恒充三十六国用。”明代《天工开物》中采煤图说明至迟在晋代，我国就已掌握用煤冶铁技术，当地生产规模达到“恒充三十六国用”，可供应新疆广大地区。
煤炭在日常生活中的重要性在古人文化中也有所表现。北宋著名文学家苏东坡在江苏徐州任职时，寒冬季节，城中极缺燃料，便组织人到四周探寻煤矿，最终发现并开采成功。诗人就此写下著名的咏煤诗。
石炭
君不见前年雨雪行人断，城中居民风裂骭。
湿薪半束抱衾，日暮敲门无处换。
岂料山中有遗宝，磊落如万车炭。
流膏迸乳无人知，阵阵腥风自吹散。
根苗一发浩无际，万人鼓舞千人看。
投泥泼水愈光明，烁石流金实精悍。
南山粟林渐可息，北山顽矿何劳锻。
为君铸作百炼刀，要斩长鲸为万段。
全诗反映徐州地区薪柴匮乏，连取暖烧饭都困难，出现了“抱衾裥”而“无处换”得“湿薪半束”的场面。经努力寻找，终于发现“山中有遗宝”，迎来“万人鼓舞千人看”的景象。“南山粟木渐可息”与“为君铸作百炼刀”二句反映出，正是由于这里的煤炭被开发并大量用于冶铁作兵器。才改变了以粟木为冶铁燃料的状况。
明代著名的政治家、军事家于谦，写过一首著名的咏煤诗，托物言志，表达自己献身祖国和人民的心胸：
咏煤炭
凿开混沌得乌金，藏蓄阳和意最深。
爝火燃回春浩浩，洪炉照破夜沉沉。
鼎彝元赖生成力，铁石犹存死后心。
但愿苍生俱温饱，不辞辛苦出山林。
煤是怎样形成的
人类发现和使用煤炭至少有2000年的历史了，但长期不知煤是如何形成的，直到最近200～300年才最终确认煤的出身：煤是由植物生成的。
人们在开发煤矿时曾发现：煤石上有树皮、树根、树叶的痕迹，甚至在煤层里发现过外形保存良好的树干化石，这都说明煤与树木关系密切。
显微镜的发明使人们可以观察到煤的组织结构。把煤石磨成厚度只有百分之几毫米的透明煤片，放在显微镜下观察，你会看到一幅由黑、黄、淡红、红褐、浅褐等颜色组成的图案，这些图案与我们用显微镜观察植物切片时看到的图案十分相似。黄色或淡红色的透明体，是古代植物的孢子或花粉的遗骸；黄色或淡红色，又长又细，具有锯齿状边缘的部分，是古代植物的叶、嫩芽等角质层的变体；而那些黑色不透明、红褐色透明或浅褐色半透明的部分，是植物的茎、根等组织的木质素和纤维素。
对煤做化学成分分析，我们发现：煤的主要成分是碳、氢、氧、氮、硫以及水分和灰分。其中碳氢是两种可燃元素。把煤和木材进行化学元素分析对比：
100千克木材里，含碳元素50千克，氢元素6.5千克，氧元素和氮元素共计43.5千克；
100千克泥炭里，含碳元素59千克，氢元素6千克，氧元素和氮元素共计35千克；
100千克褐煤里，含碳元素70千克，氢元素5.5千克，氧元素和氮元素共计24.5千克。
化学元素对比表明，煤的元素组成与木材、泥炭十分相似，只不过煤含碳元素更多一些。显微镜的观察和元素分析对比都证实：煤确实是由植物形成的。
植物变成煤的过程中，主要经历了两个阶段：植物的遗体变成泥炭——泥炭化阶段；泥炭变成褐煤——岩化阶段。在这个过程中，大自然造山运动起到非常重要的作用。
在远古时代，地球表面潮湿多雨，森林茂盛，树木一批批生长，又一批批死亡。死亡的植物遗体在沼泽里越聚越多，构成了大自然造煤的原材料。
大自然造煤运动是从微生物“进攻”植物遗体开始的。自然界到处充满微生物，一类是要有氧气才能生长，叫“喜氧菌”；另一类没有氧气也能生存，甚至活得更好，叫“厌氧菌”。植物死亡后倒在沼泽里，“喜氧菌”开始工作，他们的工作结果是使植物遗体分解和腐烂。如果植物遗体始终暴露在空气中，就会被“喜氧菌”统统“吃光”。如果遇到大自然造山运动，地表发生变化，植物遗体沉入水中，“喜氧菌”被“淹死了”，而水中的“厌氧菌”开始发威，不断“吞噬”遗体中的养分，“厌氧菌”有“偏食”的习惯，结果是植物遗体中的氢、氧、氮等元素的含量逐渐减少，碳元素含量相对增加。经过千百万年的变化，植物遗体最终变成一种黑褐色或褐色的淤泥状物质泥炭。泥炭是煤的前身，干的泥炭是黄褐色，疏松多孔，像一团团结在一起的草团，比水还要轻三分之一。泥炭可以用做燃料、化肥和化工原料，全世界的储存量估计在2000亿吨。
松软的泥炭变成坚硬的煤经过了一个“岩化阶段”。由于地球的造山运动，地壳在不断运动，当沼泽地带逐渐下沉，泥炭也随之被埋在地下，上面被泥沙层压住。越到地下深处，压力越大，温度越高，此时各种微生物终止了活动。泥炭在高温高压作用之下，体积被逐渐压缩到只有原来的1／5～1／10，同时放出大量的水分和其他成分，碳的含量增加到60％以上，泥炭终于变成了坚硬的褐煤。由泥炭变成煤的过程叫做“岩化”，这是个非常复杂的过程，少说也得进行几百万年。
褐煤性格十分活跃，很容易用火点着，燃烧时冒出浓浓的黑烟，但火力不强。在高温高压的持续作用下，褐煤里的水分和其他物质被进一步“压迫”出来，碳元素含量又增加到80％以上，人们称其为烟煤。
烟煤燃烧起来火很旺，冒浓烟，火苗呈黄红色。地球上绝大多数的煤是烟煤，有人估计地下贮藏量有8万亿吨。
烟煤继续失去水分和其他物质，最后就变成了无烟煤，无烟煤也是最古老的煤。无烟煤最不容易点燃，但燃烧时火力很强，冒烟很少，火苗呈蓝色，燃烧后留下的灰烬也很少，是一种很好的燃料。
煤的生成历史悠久漫长，最古老的煤生成于距今6亿年前的远古时代，叫做“石煤”。石煤含碳量最高，但灰分多，不易点燃，可一旦燃烧起来火力很强。石煤数量不多，地球上的煤大部分生成于以下三个时期：
古生代的石炭纪、二叠纪时期（距今2.25亿至3.50亿年前）是著名的造煤期，主要造煤植物是孢子植物。整个欧洲、北非、北美洲北部以及亚洲西部的煤都是在这时期生成的，其中包括我国辽宁的本溪，河北的开滦，山西的太原、大同，河南的平顶山、焦作，山东的淄博，安徽的淮南及贵州的西部煤田。
中生代的侏罗纪时期（距今1.35亿至1.80亿年前），主要造煤植物是裸子植物。我国在侏罗纪时期生成的煤田最多，如特大型的鄂尔多斯煤田、准噶尔煤田、吐鲁番哈密煤田，辽宁的阜新，吉林的辽源，黑龙江的鹤岗、鸡西、双鸭山，北京的门头沟，江西的萍乡煤田。
新生代的第三纪时期（距今500万至6500万年前）是地球历史上的最主要的造煤期，主要造煤植物是被子植物。这个时期生成的煤大多数分布在太平洋沿岸。我国辽宁的抚顺，云南的小龙潭以及台湾省的许多煤田都是第三纪煤田。
煤与工业革命
我国到了元代用煤就十分普遍了，而当时的欧洲人对煤的使用还一无所知。许多外国的旅行家曾先后来到中国，这个当时世界上文化最发达的国家，其中最著名的是意大利人马可·波罗。
马可·波罗（1254—1324年）和全家人于公元1271年踏上东行的旅途，穿过叙利亚、伊朗，翻过帕米尔，通过新疆、甘肃，于1275年到达元大都（今北京）。元代的统治者忽必烈十分喜欢马可·波罗，从此，马可·波罗留在中国任职和游历达17年之久，其足迹几乎遍布全中国。在游历中，马可·波罗惊讶地看到中国在很多方面都比欧洲更富有、更开化。中国人在生活中用煤代替木炭作燃料，这是马可·波罗在欧洲所没有见到过的事，他对此十分惊奇，并做了许多调查和研究，这些研究被记载到后来出版的游记中。
马可·波罗于1295年回到意大利，在一次战争中被俘入狱。在狱中，他向同时在狱中的作家鲁恩梯谦口述了自己丰富多彩的东方见闻，由作家笔录成书，这就是后来被人们译成几十种文字、脍炙人口的《马可·波罗游记》（又名《东方见闻录》）。
