現代人可以一天不吃飯,但絕對不能一天沒有電,否則人體的外附器官手機就失去了用武之地,人也會變得很焦慮 。
開個玩笑。電是一種能量,但有沒有人思考過電其實也有重量呢?1斤重的電到底有多少?又能讓全球使用多長時間呢?
不開玩笑,電真的有重量!
之所以敢如此肯定電能也有重量,這得從20世紀最偉大的物理學家愛因史坦說起,或者說從他的那個質能方程式說起。
在愛因史坦之前,科學家對於光速的判斷,一直有兩個相互矛盾的觀點 ,而提出這兩個觀點的人,那都是物理學大拿。
當前物理學有兩大基礎理論,那就是 牛頓力學和馬克士威理論 。同為物理學基礎,但兩個理論對光速的認知卻是完全矛盾。
在馬克士威理論中,他透過復雜的計算匯出了光速的運算式,而這個運算式沒有任何參考系,光速就是一個固定值,不需要用別的東西做參考。
但在牛頓力學原理中,運動和靜止都是相對而言,無論什麽樣的速度都必須要有一個參照物,否則速度根本就無法衡量。
因為一個光速問題,兩大經典物理學理論鬧出了矛盾,誰也無法說服誰。 雖然後來很多科學家都想找說辭彌合兩個理論的矛盾,但無一例外都失敗了。
直到愛因史坦的理論橫空出世,才給兩大理論找到了可以彌合的點。 愛因史坦利用光速不變原理和相對性原理,最終推匯出了狹義相對論。
在進一步完善狹義相對論的過程中,愛因史坦又推匯出質能公式,也就是E=MC的平方(E=MC2)。
很多人看到這個公式,認為這是原子彈之類核武器的指導公式。實際上這樣理解就太狹隘了, 這個公式最大的意義在於,將能量和品質結合到一起,並找到了相互之間轉化的標準 。
在愛因史坦看來, 能量和品質完全就是一回事,或者說是事物的一體兩面 ,品質可以轉換為能量,能量也可以轉換為品質,兩者緊密聯系並不是毫無聯系的獨立個體。
也正是透過這個公式,我們可以推匯出1斤電到底是多少能量,或者說多少度電的重量才能達到1斤。
1斤電等於多少度?
那1斤電到底有多少度呢?我們可以透過質能方程式來計算一下。
E=MC2這個方程式中,E就代表能量,單位是焦耳;M代表品質,單位是千克;C則表示真空中的光速,單位為米/秒。為了便於計算,我們取光速為每秒300000000公尺。
我們將對應的數據代入這個公式中,就可以得到E=0.5*300000000*300000000,由此可以算出E=4.5*10的16次方焦耳(4.5*1016)。
這就意味著1斤電可以換算為4.5*1016焦耳的能量。而1度電大約是3.6*106焦耳能量,兩者相除就能換算出到底是多少度電。
最終我們可以算出, 4.5*1016/3.6*106=125億度電 。這樣一算,1斤電也確實不少,對一般家庭而言,好幾輩子都用不完如此多的電。
按照中國電價每度0.5元來計算,1斤電的價格大約在62.5億元左右,這對大部份人而言,也是一個天文數位,別說一輩子賺這麽多錢,就算是見也未必能見到這麽多錢。
對一個家庭而言這電量相當於天文數位,那對全球人而言,1斤電又能供人類使用多長時間呢?
根據世界銀行釋出的數據顯示,2018年全球人均用電量是3130.7度(工業用電和家庭用電匯總到一起的平均數)。
當時全世界人口75.74億,兩者相乘即得到全球全年用電量23.77萬億度,平均到每天是651.23億度 。
那1斤電折算下來,大約可以用125/651.23*24=4.6小時。這就意味著, 1斤電可以供全球人使用4.6小時。
按照這樣計算,1904斤電就可以滿足2018年全球的用電量,這個數位看起來貌似也不是很大,還不到1噸的樣子。
當然,時間來到2024年,全球人均耗電量肯定比2018年要高很多,1斤電使用的時間也就更短。
這樣不斷算下來,1斤電125億度只夠全球用4.6小時,貌似也沒啥大不了的。但我們要知道,火力發電過程中, 1噸煤大約只能產生3000度電 。
125億度電需要燃燒的煤,絕對是天文數位。這不由得讓人想起前幾年電廠鬧煤荒的時候,許多活力發電廠到處找煤,導致民用煤的價格都跟著水漲船高。
人類能源結構,電能的構成
自工業革命以來,石化能源逐漸成為人類最主要的能源,再後來 人類將石化能源轉換為電能,成為日常生活和工業生產中不可或缺的能源 。
電能發展史上,最重要的裏程碑就是發現 電磁感應現象 。1821年,法拉第在試驗中突發奇想,既然電流透過電路時會導致附近的磁針偏轉,那反過來又會如何呢?
法拉第設想,將磁鐵固定,線圈是否會運動呢?沿著這個思路,法拉第開始做實驗,最終發現了電磁感應現象。
也正是基於這一原理,人類發明了早期的發電機,開啟了大規模用電時代。
最早的發電機是透過水力或火力來推動的。你確實沒看錯,水電並不是現代才有的,很早之前就已經存在了,不過因為水力不穩定,最終逐漸被火力發電所取代。
火力發電過程中,大量使用煤炭驅動發電機,雖然給人類提供了穩定的電力能源,但對環境的汙染和破壞也不容忽視。
為了獲取煤炭,全球各地瘋狂挖煤,影響了當地的生態環境,也嚴重破壞了礦區周邊的地質結構,塌陷區不斷出現,嚴重威脅周邊地區的人員和財產安全。
挖礦帶來破壞,在使用煤炭發電的過程中,大量燃燒煤炭排放汙染瓦斯,也影響了大氣環境和品質。
高聳林立的煙囪、不斷冒出來的黑煙,對環境無疑是巨大的破壞。 火電帶來的危害越來越嚴重,清潔能源逐漸提升日程。
十九世紀90年代,美國人發明了風力發電技術,不過這依然無法避免發電量不穩定的問題。風力大時發電多,風力小時沒辦法發電,不穩定的電能根本無法滿足需求。
再後來,人們重新利用水力發電,修建水庫大壩來增加水流沖擊力,透過水庫確保發電量穩定。 水力發電逐漸普及,成為清潔能源的重要組成部份 。
隨著和能進技術發展,核電的占比越來越高。透過核分裂的方式來發電,使用的核燃料少,產生的電能多且穩定,除了最後的核廢料處理難度高之外,整個過程幾乎不產生汙染。
現在,隨著科技發展,光伏發電也成為一個新趨勢,將光能轉換為電能,是一種完完全全的清潔能源,不過光伏發電也存在發電量不穩定、難以儲存等問題。
核融合才是人類的「夢中情電」
人類最終極的能源,非「人造太陽」莫屬,也就是目前正在大力研究的可控核融合技術。
太陽是整個太陽系的核心,它發光發熱照耀著太陽系裏的所有星體。而太陽上時時刻刻都在進行的,就是核融合反應。
人類一旦掌握了核融合技術,就相當於掌握了無盡的能源,到時真的就能實作「能源自由」了 。
核融合使用的材料,如氘和氚等,在海水中大量存在,雖然提取過程有點繁瑣,但完全可以滿足使用需求,而在月球上,這類元素就更多了。
核融合之所以受青睞,除了能釋放出比核分裂更多的能量之外,更重要的一點是完全無汙染,整個核融合過程中不產生任何廢料,也沒有任何汙染,不像目前的核電廠一樣還有核廢料難以處理。
目前,多個國家的科研團隊,正在致力於研究可控核融合技術,幸運的是,中國對此的研究也走在了世界前列。
「人造太陽」又稱全超導托卡馬克核融合實驗裝置 ,這個裝置產生高溫高壓,將真空室內的氘或氚加熱到臨界狀態,直至引發核融合反應,在融合過程中產生巨大能量。
2000年9月,中國「人造太陽」實驗基地正式開工,2006年9月,該計畫第一次放電成功,標誌著中國進入核融合實驗全球第一梯隊,並成功實作向其他國家進行技術輸出。
2016年初,中國科研團隊實作5000萬度溫度下電漿執行102秒,創下世界紀錄;2017年,實作101秒高約束電漿執行;2018年11月,實作1億度實驗目標。
2021年底,「人造太陽」實作1056秒的長脈沖高參數電漿執行,成為同等狀況下執行時間最長的紀錄。
2023年4月12日,中國「人造太陽」成功實作穩定態高約束模式執行403秒,標誌著中國離可控核融合又近一步。
可控核融合帶來的無窮無盡的清潔能源,才是人類能源的真正未來!