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经济参考网读书频道
能量之旅
能量是生命的基本需求。地球上每种生物体或设备使用的能量均直接或间接来自太阳。地球上的能量主要以化石燃料的形式储备,这些化石燃料来自埋藏在地下长达上百万年已分解的植物。蕴藏在煤、石油和天然气中的能量必须以某种方式释放出来才能得以应用。人们利用日益先进的技术设计了多种机械设备来释放蕴藏的能量。 人类自古就有四种基本能量来源。第一种是“自我提供”的能量,即使用人体提供的能量,这种能量的主要来源是食物。 一个处于休息状态的人所消耗的能量是80 瓦特,相当于一盏白炽灯所消耗的能量。一个从事繁重工作的人所消耗的能量可达到上述能量的8~10 倍。瓦特是能量的基本单位,表示使用或产生能量的速率。人们熟知的能量计量单位是焦耳,1 瓦特=1 焦耳/ 秒。瓦特这个能量单位是以应用范围最广的蒸汽机发明者詹姆斯·瓦特命名的。2010 年,所有人类活动需要的能量是508 艾焦耳或508×1018 焦耳,其中包括人类产生的能量,但不包括动物产生的能量以及应用于农业劳动或交通运输的能量。关于世界能量消耗量的增长。 或中世纪大教堂,人类产生的能量会成倍增加。第二种能量来源来自动物产生的能量。一匹马能产生的能量约为500 瓦特,相当于6 个中等体格的人适度工作所产生的能量。第三种能量来源是对自然的驾驭,比如利用湍急的河流或强风。水车早在罗马时期就出现了。200 年,在今法国境内的阿尔勒附近,聚居着罗马帝国统治下的高卢人。当时,那里已有16 架水车。这些水车为磨粉机提供动力,每天能磨28 吨面粉。据《英国土地志》记载,英国在11 世纪拥有5 624 架水车。在随后的几百年里,风车在欧洲和世界各地逐渐普及。风车比水车适应性更强。人们发明了多种装置调整风车的方向,使风车能自动转向风吹来的方向,从而大大增加了风车的利用率。人们用水车和风车提供的动力磨玉米,或者操控当时简易的机械设备把空气吹进高炉。但是利用水力或风力的机械设备产生的能量非常有限,一架中世纪的水车只能产生1.5 千瓦的能量,即使是中世纪最大的风车所产生的能量也不过是7.5 千瓦,而现在,一辆卡车所产生的能量是当时最大风车产生能量的35 倍以上。 人们仍缺少一种可靠、可控并能够大规模使用的能源,这正体现了第四种能源(利用储藏在化石燃料中的能量)的重要之处。1698 年,位于英国西南部德文郡托特尼斯镇的托马斯·萨弗里发明了一项专利,这项专利描述了如何利用火的推动力推动一种液体(比如水)。萨弗里发明了世界上第一台蒸汽机,这台蒸汽机利用煤加热锅炉中的水产生的蒸汽提供动力。蒸汽进入汽缸,在每个汽缸中冷凝成水。冷凝过程中,蒸汽体积缩小,在汽缸中形成局部真空。假设汽缸通过管子连接需要被推动的水,水就会在大气压力的作用下被推进汽缸中的真空部分。 最早将化石燃料中的能量转换成机械运动的一种可行方法。这种机械运动可应用于多种工作。 1708 年,德文郡的另一位工程师托马斯·纽科门制造了一款改良的引擎,他的设计中融入了连接杆和其他可用于驱动机器的机械装置。1769 年,苏格兰发明家詹姆斯·瓦特发明了更先进的引擎,这款引擎比纽科门发明的引擎更节能。不久后,英国出现了第一批大规模工厂。工厂中有很多机器用于纺织工业的纺纱和编织,这些机器的运转依靠旋转运动。瓦特发明的引擎使用一种基于行星式齿轮的简单机械装置,把产生的能量转换成旋转运动。因此,瓦特发明的引擎成为第一次工业革命时期工厂里的主要能量来源。截至1870 年,英国使用基于瓦特设计的蒸汽机所产生的能量达3 千兆瓦(30 亿瓦特),相当于600 万匹马产生的能量。1890 年,蒸汽机提供的能量约占美国能源需求的80% ,取代了水动力提供的能量。在19 世纪50 年代之前,水动力一直是主要的能量来源。
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