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电不仅有重量,还可以按「斤」卖?一斤电竟能让全世界用这么久!

2024-07-13科学

现代人可以一天不吃饭,但绝对不能一天没有电,否则人体的外附器官手机就失去了用武之地,人也会变得很焦虑

开个玩笑。电是一种能量,但有没有人思考过电其实也有重量呢?1斤重的电到底有多少?又能让全球使用多长时间呢?

不开玩笑,电真的有重量!

之所以敢如此肯定电能也有重量,这得从20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦说起,或者说从他的那个质能方程说起。

在爱因斯坦之前,科学家对于光速的判断,一直有两个相互矛盾的观点 ,而提出这两个观点的人,那都是物理学大拿。

当前物理学有两大基础理论,那就是 牛顿力学和麦克斯韦理论 。同为物理学基础,但两个理论对光速的认知却是完全矛盾。

在麦克斯韦理论中,他通过复杂的计算导出了光速的表达式,而这个表达式没有任何参考系,光速就是一个固定值,不需要用别的东西做参考。

但在牛顿力学原理中,运动和静止都是相对而言,无论什么样的速度都必须要有一个参照物,否则速度根本就无法衡量。

因为一个光速问题,两大经典物理学理论闹出了矛盾,谁也无法说服谁。 虽然后来很多科学家都想找说辞弥合两个理论的矛盾,但无一例外都失败了。

直到爱因斯坦的理论横空出世,才给两大理论找到了可以弥合的点。 爱因斯坦利用光速不变原理和相对性原理,最终推导出了狭义相对论。

在进一步完善狭义相对论的过程中,爱因斯坦又推导出质能公式,也就是E=MC的平方(E=MC2)。

很多人看到这个公式,认为这是原子弹之类核武器的指导公式。实际上这样理解就太狭隘了, 这个公式最大的意义在于,将能量和质量结合到一起,并找到了相互之间转化的标准

在爱因斯坦看来, 能量和质量完全就是一回事,或者说是事物的一体两面 ,质量可以转换为能量,能量也可以转换为质量,两者紧密联系并不是毫无联系的独立个体。

也正是通过这个公式,我们可以推导出1斤电到底是多少能量,或者说多少度电的重量才能达到1斤。

1斤电等于多少度?

那1斤电到底有多少度呢?我们可以通过质能方程来计算一下。

E=MC2这个方程中,E就代表能量,单位是焦耳;M代表质量,单位是千克;C则表示真空中的光速,单位为米/秒。为了便于计算,我们取光速为每秒300000000米。

我们将对应的数据代入这个公式中,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)。

这就意味着1斤电可以换算为4.5*1016焦耳的能量。而1度电大约是3.6*106焦耳能量,两者相除就能换算出到底是多少度电。

最终我们可以算出, 4.5*1016/3.6*106=125亿度电 。这样一算,1斤电也确实不少,对一般家庭而言,好几辈子都用不完如此多的电。

按照我国电价每度0.5元来计算,1斤电的价格大约在62.5亿元左右,这对大部分人而言,也是一个天文数字,别说一辈子赚这么多钱,就算是见也未必能见到这么多钱。

对一个家庭而言这电量相当于天文数字,那对全球人而言,1斤电又能供人类使用多长时间呢?

根据世界银行发布的数据显示,2018年全球人均用电量是3130.7度(工业用电和家庭用电汇总到一起的平均数)。

当时全世界人口75.74亿,两者相乘即得到全球全年用电量23.77万亿度,平均到每天是651.23亿度

那1斤电折算下来,大约可以用125/651.23*24=4.6小时。这就意味着, 1斤电可以供全球人使用4.6小时。

按照这样计算,1904斤电就可以满足2018年全球的用电量,这个数字看起来貌似也不是很大,还不到1吨的样子。

当然,时间来到2024年,全球人均耗电量肯定比2018年要高很多,1斤电使用的时间也就更短。

这样不断算下来,1斤电125亿度只够全球用4.6小时,貌似也没啥大不了的。但我们要知道,火力发电过程中, 1吨煤大约只能产生3000度电

125亿度电需要燃烧的煤,绝对是天文数字。这不由得让人想起前几年电厂闹煤荒的时候,许多活力发电厂到处找煤,导致民用煤的价格都跟着水涨船高。

人类能源结构,电能的构成

自工业革命以来,石化能源逐渐成为人类最主要的能源,再后来 人类将石化能源转换为电能,成为日常生活和工业生产中不可或缺的能源

电能发展史上,最重要的里程碑就是发现 电磁感应现象 。1821年,法拉第在试验中突发奇想,既然电流通过电路时会导致附近的磁针偏转,那反过来又会如何呢?

法拉第设想,将磁铁固定,线圈是否会运动呢?沿着这个思路,法拉第开始做实验,最终发现了电磁感应现象。

也正是基于这一原理,人类发明了早期的发电机,开启了大规模用电时代。

最早的发电机是通过水力或火力来推动的。你确实没看错,水电并不是现代才有的,很早之前就已经存在了,不过因为水力不稳定,最终逐渐被火力发电所取代。

火力发电过程中,大量使用煤炭驱动发电机,虽然给人类提供了稳定的电力能源,但对环境的污染和破坏也不容忽视。

为了获取煤炭,全球各地疯狂挖煤,影响了当地的生态环境,也严重破坏了矿区周边的地质结构,塌陷区不断出现,严重威胁周边地区的人员和财产安全。

挖矿带来破坏,在使用煤炭发电的过程中,大量燃烧煤炭排放污染气体,也影响了大气环境和质量。

高耸林立的烟囱、不断冒出来的黑烟,对环境无疑是巨大的破坏。 火电带来的危害越来越严重,清洁能源逐渐提升日程。

十九世纪90年代,美国人发明了风力发电技术,不过这依然无法避免发电量不稳定的问题。风力大时发电多,风力小时没办法发电,不稳定的电能根本无法满足需求。

再后来,人们重新利用水力发电,修建水库大坝来增加水流冲击力,通过水库确保发电量稳定。 水力发电逐渐普及,成为清洁能源的重要组成部分

随着和能进技术发展,核电的占比越来越高。通过核裂变的方式来发电,使用的核燃料少,产生的电能多且稳定,除了最后的核废料处理难度高之外,整个过程几乎不产生污染。

现在,随着科技发展,光伏发电也成为一个新趋势,将光能转换为电能,是一种完完全全的清洁能源,不过光伏发电也存在发电量不稳定、难以储存等问题。

核聚变才是人类的「梦中情电」

人类最终极的能源,非「人造太阳」莫属,也就是目前正在大力研究的可控核聚变技术。

太阳是整个太阳系的核心,它发光发热照耀着太阳系里的所有星体。而太阳上时时刻刻都在进行的,就是核聚变反应。

人类一旦掌握了核聚变技术,就相当于掌握了无尽的能源,到时真的就能实现「能源自由」了

核聚变使用的材料,如氘和氚等,在海水中大量存在,虽然提取过程有点繁琐,但完全可以满足使用需求,而在月球上,这类元素就更多了。

核聚变之所以受青睐,除了能释放出比核裂变更多的能量之外,更重要的一点是完全无污染,整个核聚变过程中不产生任何废料,也没有任何污染,不像目前的核电站一样还有核废料难以处理。

目前,多个国家的科研团队,正在致力于研究可控核聚变技术,幸运的是,我国对此的研究也走在了世界前列。

「人造太阳」又称全超导托卡马克核聚变实验装置 ,这个装置产生高温高压,将真空室内的氘或氚加热到临界状态,直至引发核聚变反应,在聚变过程中产生巨大能量。

2000年9月,我国「人造太阳」实验基地正式开工,2006年9月,该项目第一次放电成功,标志着我国进入核聚变实验全球第一梯队,并成功实现向其他国家进行技术输出。

2016年初,我国科研团队实现5000万度温度下等离子体运行102秒,创下世界纪录;2017年,实现101秒高约束等离子体运行;2018年11月,实现1亿度实验目标。

2021年底,「人造太阳」实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,成为同等状况下运行时间最长的纪录。

2023年4月12日,我国「人造太阳」成功实现稳定态高约束模式运行403秒,标志着我国离可控核聚变又近一步。

可控核聚变带来的无穷无尽的清洁能源,才是人类能源的真正未来!