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經濟參考網讀書頻道

能量之旅

能量是生命的基本需求。地球上每種生物體或設備使用的能量均直接或間接來自太陽。地球上的能量主要以化石燃料的形式儲備，這些化石燃料來自埋藏在地下長達上百萬年已分解的植物。蘊藏在煤、石油和天然氣中的能量必須以某種方式釋放出來才能得以應用。人們利用日益先進的技術設計了多種機械設備來釋放蘊藏的能量。
　　人類自古就有四種基本能量來源。第一種是“自我提供”的能量，即使用人體提供的能量，這種能量的主要來源是食物。 一個處于休息狀態的人所消耗的能量是80 瓦特，相當于一盞白熾燈所消耗的能量。一個從事繁重工作的人所消耗的能量可達到上述能量的8~10 倍。瓦特是能量的基本單位，表示使用或產生能量的速率。人們熟知的能量計量單位是焦耳，1 瓦特=1 焦耳/ 秒。瓦特這個能量單位是以應用范圍最廣的蒸汽機發明者詹姆斯·瓦特命名的。2010 年，所有人類活動需要的能量是508 艾焦耳或508×1018 焦耳，其中包括人類產生的能量，但不包括動物產生的能量以及應用于農業勞動或交通運輸的能量。關于世界能量消耗量的增長。
　　或中世紀大教堂，人類產生的能量會成倍增加。第二種能量來源來自動物產生的能量。一匹馬能產生的能量約為500 瓦特，相當于6 個中等體格的人適度工作所產生的能量。第三種能量來源是對自然的駕馭，比如利用湍急的河流或強風。水車早在羅馬時期就出現了。200 年，在今法國境內的阿爾勒附近，聚居著羅馬帝國統治下的高盧人。當時，那里已有16 架水車。這些水車為磨粉機提供動力，每天能磨28 噸面粉。據《英國土地志》記載，英國在11 世紀擁有5 624 架水車。在隨后的幾百年里，風車在歐洲和世界各地逐漸普及。風車比水車適應性更強。人們發明了多種裝置調整風車的方向，使風車能自動轉向風吹來的方向，從而大大增加了風車的利用率。人們用水車和風車提供的動力磨玉米，或者操控當時簡易的機械設備把空氣吹進高爐。但是利用水力或風力的機械設備產生的能量非常有限，一架中世紀的水車只能產生1.5 千瓦的能量，即使是中世紀最大的風車所產生的能量也不過是7.5 千瓦，而現在，一輛卡車所產生的能量是當時最大風車產生能量的35 倍以上。
　　人們仍缺少一種可靠、可控并能夠大規模使用的能源，這正體現了第四種能源（利用儲藏在化石燃料中的能量）的重要之處。1698 年，位于英國西南部德文郡托特尼斯鎮的托馬斯·薩弗里發明了一項專利，這項專利描述了如何利用火的推動力推動一種液體（比如水）。薩弗里發明了世界上第一臺蒸汽機，這臺蒸汽機利用煤加熱鍋爐中的水產生的蒸汽提供動力。蒸汽進入汽缸，在每個汽缸中冷凝成水。冷凝過程中，蒸汽體積縮小，在汽缸中形成局部真空。假設汽缸通過管子連接需要被推動的水，水就會在大氣壓力的作用下被推進汽缸中的真空部分。
　　最早將化石燃料中的能量轉換成機械運動的一種可行方法。這種機械運動可應用于多種工作。
　　1708 年，德文郡的另一位工程師托馬斯·紐科門制造了一款改良的引擎，他的設計中融入了連接桿和其他可用于驅動機器的機械裝置。1769 年，蘇格蘭發明家詹姆斯·瓦特發明了更先進的引擎，這款引擎比紐科門發明的引擎更節能。不久后，英國出現了第一批大規模工廠。工廠中有很多機器用于紡織工業的紡紗和編織，這些機器的運轉依靠旋轉運動。瓦特發明的引擎使用一種基于行星式齒輪的簡單機械裝置，把產生的能量轉換成旋轉運動。因此，瓦特發明的引擎成為第一次工業革命時期工廠里的主要能量來源。截至1870 年，英國使用基于瓦特設計的蒸汽機所產生的能量達3 千兆瓦（30 億瓦特），相當于600 萬匹馬產生的能量。1890 年，蒸汽機提供的能量約占美國能源需求的80% ，取代了水動力提供的能量。在19 世紀50 年代之前，水動力一直是主要的能量來源。

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