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你不知道的能源--你该知道的物理(三)

已有 4050 次阅读 2010-7-24 07:45 |个人分类:你不知道的|系统分类:科普集锦

功率
如果说TNT含有的能量这么低,为什么我们还要用阿?答案是它有很高的功率,瞬间释放巨大的能量。这里回忆一下我们在初中学习的能量和功率的概念,其实英文更容易理解,功率对应power,能量对应于energy,有时候我们也把能量等同于功。功率是能量消耗的速度。我的一位朋友是骨灰级的环保人士。她反对在怒江上建水坝,但她在发电功率和发电量的区别上出了些小纰漏。把计划中的怒江水电站发电量算成实际的五千分之一,被决策者抓包,说成危言耸听,忽略了问题本身的重要性。
 功率用每小时释放卡路里或者用每秒释放焦耳来衡量。TNT虽然含的能量没有汽油高,但它能把能量瞬间释放出来,从而达到极大的破坏能力。举个例子而言,剁饺子馅,手起刀落。手起的过程是在积蓄能量,你随便手起的多慢,积蓄的能量是一样的,刀落把积蓄的能量转化成刀的动能,这个动能在碰到饺子馅的时候瞬间放出来,我们说功率很大。这个大功率意味着加在刀刃上的力量比你举起刀的力量要大。瓦特首先测量了一匹健康的马所能提供的功率,从此有了我们常说的马力,当然我们今天不太有机会衡量马的功率,而常用它来衡量汽车的发动机。我们在物理上也用瓦特为单位来计量功率。差不多一千瓦特等与一马力,这是个很有用的数据,你很快就会用得到。太阳能,差不多一平米提供一千瓦能量,就是一马力。你现在可以想象一下每一平米上站着一匹马,它正享受着阳光,世界和谐阿。看起来很多是吗,一台正常汽车发动机功率是50到200马力。
 我们经常用瓦特来衡量电力,电灯泡上标记着它有多大功率。如果你在家里点10个100瓦的灯泡,鬼知道你想干吗,点灯,开堂会?功率就是一千瓦,一匹享受阳光的马。现在来看能量,我们常用千瓦时这个概念,就是这十个电灯点一个小时所耗的电能。马“急头白脸”(赵本山语)运动一个小时提供的能量,太阳照在一平米面积上一个小时的能量。顺便澄清几个概念,千瓦时,是千瓦功率一小时所产生的能量;车开几十迈(miles/per hour),是每小时车能开多少英里,不是距离单位;光年是光一年里跑得距离,不是时间单位。
 我们国家把千瓦时也叫一度,一天一个家庭大概要用几度电。一个中型发电厂发电量大概是50到100百万千瓦,能够供应一个小型城市的用电,大型发电厂发电量在百万千瓦以上的,在美国有450座,光加州就有40座。现在看看我们所说的食物卡路里,一食物卡路里相当于一瓦小时,换句话说,一把手电开一个小时耗电量是一食物卡路里,乘一千倍,大概就是一千瓦时,相当于一千卡的食物。一个成人每天吃两千卡食物,相当于两度电力,大概两块人民币。其实,如果只从维持生命的角度讲,1斤的大米就可以提供2千卡热量,大概三块人民币,如果批发,1斤米大概是七毛钱。所以,你可以一天花七毛钱就能吃够热量来维持生命。
 替代能源
 要寻找石油和其他化石燃料的替代品,首先我们了解一下这些能源是怎样被分配的。美国为例,5%的化石燃料被用来做化工产品,肥料和塑料,其余用作能源,包括,28%用于交通,40%产生电力,20%用于取暖,32%用于工业生产。这些数字和大于100%因为有用途的交叉,比如电力业用于工业生产。其实数字不那么重要,你只需要知道石油用于四个基本领域,交通,电力,取暖和工业,基本份额差不多。这个东西有必要了解,比如我们要下大力气解决因为交通使用汽油而减少污染,把所有汽油更替成替代能源,我们只解决了四分之一的问题。
 美国的能源29%来自进口石油,11%依靠本国石油,24%来自于煤炭,19%来自于天然气,8%来自于核能,8%来自于包括风能,太阳能,水力等可再生能源。而且,问题是不是所有的能源都是一样的价格,事实上,不同的能源价格相差很大,比如说提供相同的能量,煤炭比石油要便宜20倍,这就是我们国家为什么大量使用煤炭的原因,便宜阿。我们继续给出一些细节来,比方说提供一度电力,不考虑建设和运输成本,煤炭,0.04元;天然气,0.2元;汽油,0.7元;车载电池,1.4元;笔记本电池,20元(800元更换新电池);干电池,7000元。看起来很不和谐,这是因为市场不是有效的,如果像经济学家所假设的,市场能够有效化,那么所有的能源应该是相同价格的。事实却不是这样简单,人类有很多投资是在改变能源结构,很大程度上,我们受能源的使用形式限制。我们愿意买干电池,因为跟家用电比较,它易于携带并且方便。交通工具确实可以使用煤作燃料,但汽油占体积更少,功率更高,而且不会有残渣剩下,这就是我们为什么用电力机车代替了蒸汽车的原因。汽车大量使用开始于原油便宜的时代,而相对原油价格比较贵的地区,比如欧洲,公共交通就比较发达。美国有广大的郊区,就是因为整个生活方式是基于便宜的交通,廉价的石油。人们愿意付出的价格,不仅是能量本身,而且是它的供应方式。
        讨论替代能源的时候,面对中国的问题是在她的煤炭消耗上,尤其是因为煤炭而引起的全球变暖问题。对碳征税已经在一些发达国家开始,但这远远不能够解决问题,对于发展中国家,我们需要便宜的能源来保证经济的发展,解决吃饭问题,教育问题和诸多社会问题。说刻不容缓也好,说长远利益也好,怎样在其中找到一个平衡,to do不是个问题,how to do才是问题。
 


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