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將傳統水利技術推上舞臺的,是 19 世紀末水力渦輪機的發明。水車能夠產生 10 千瓦到 50 千瓦的能量,但它無法解決全世界對電能的渴求。如今,水力資源的應用主要在中國和非洲,在那里,它對農業生產發揮了無可替代的作用,不僅生產出幾百萬兆瓦的電能,同時那些偉大的工程也引發了人們攝影的沖動。
“瓦特的瓦特”中的一瓦特是什么意思?——國際標準單位的發明
瓦特?兆瓦?什么玩意兒?
OK,在進一步深入探討這個話題之前,讓我們重溫一下少年時在課堂里的情景:“現在來問一個很白癡的問題,什么是瓦特?”
瓦特其實應該念成“沃特”,因為瓦特是一個英國人的名字。我們暫且保留“瓦特”這一讀法。瓦特是一位蘇格蘭發明家,參與發明了現代蒸汽機,而物理學功率的 SI 也是以其名來命名的。SI 的全稱是 Le Systeme International d’Unites,即國際標準單位。我們應該感謝標準單位:在墨西哥喝下一升啤酒,跟我們在巴伐利亞喝一升啤酒沒有什么區別,因為液體的體積是相等的。
如果國際單位沒有統一的話,那么全世界交流起來將存在很大的困難:“從這兒到火車站有多遠,年輕人?”“大約 500 米,仁慈的夫人。”“啊,步行就可以了。”這位女士已經起身出發了。如果問的是鄰國朋友,那么答案將變成:“噢,不太遠,大概 60 施納克吧。”或者“嗯,大約 2000 維普烏斯吧。”1 維普烏斯可以表示 1 米,也可以表示 1 公里,誰能知道到底有多遠?那么多少維普烏斯等于 1 個施納克呢?要是都這么表達,那么在地球村上生活簡直太痛苦了。
于是,1954 年,國際單位體系誕生了。從那時開始,全世界都用“米”作為距離單位,以“秒”計算時間,以“千克”作為質量單位,以“安培”來確定電流強度等等。除了這些基本單位之外,還有很多其他的 SI 單位,比如赫茲是頻率單位、攝氏度是溫度單位、巴是壓力單位等等。很多情況下,一些科學家的名字最終成了國標單位的代號,比如牛頓作為力的單位(用來向艾薩克·牛頓爵士致敬),而功率的單位正如我們提到的,是瓦特。
那么瓦特(這個人)的瓦特(這個單位)中的 1 瓦特究竟是什么意思呢?瓦特表示的是能量在特定時間段內轉換的情況。嚴格地說,瓦特表示的是單位時間內所做的功。物理學認為,能量是永遠不會消失的,只會發生轉換,比如風能可以轉化為電能。為了對轉化結果進行定量表達,人們用某一個值來表示所轉移的能量,也就是瓦特。
因此我們可以像對待“米”那樣來對待“瓦特”。如果在顯微鏡下觀察 1 米長的物體,那它簡直就是一頭恐龍。因此人們把米又分為分米、厘米、毫米、微米等等,最小的單位是攸米(l 米的 10-24)。而當我們想用“米”來表示地球和月球間的距離時,因后面添加的零太過壯觀,所以我們又發明了“公里”這個單位。而當距離更遠時,我們就用光年來表示。光速在任何情況下都是恒定不變的,每秒 30 萬公里,因此每光秒就相當于 30 萬公里。要是你想用數手指頭的方法來算清楚 1 光年到底要走多遠,恐怕得長幾百根手指頭吧。
能量轉換的度量與長度比較相似。當原子內的最小成分夸克發生反應時,只會產生極其微小的能量。而要是一顆星星發生爆炸,它的能量級別則遠遠超乎我們的想象。對于這兩種情況,我們都需要使用某種刻度來描述它們,而這樣的刻度也確實存在,共分為 16 個級別。
最小的能量單位是仄瓦,這是最小的能量級。當一架遙遠的太空探測器向地球發射無線電信號時,一座接收器所接受的能量就約等于 1 仄瓦。比仄瓦高一級的是阿瓦,然后是飛瓦,這是接收超短波所需的最小能量,然后是皮瓦,相當于生成一個體細胞所轉移的能量,之后是納瓦、微瓦和毫瓦。
接下來才是瓦特,排在第八位。人類心臟的功率約為 1.5 瓦;一個 100 瓦燈泡的發光功率約為 5 瓦(剩下的都是熱功率);冰箱運作時需要 140 瓦的功率;如果爸爸、媽媽和兩個孩子在家里待上一天,打電話、看電視、做飯、聽音樂、洗澡,而且一直開著燈,他們所耗的電功率約為 500 瓦。如果和全世界所有人的需求相比較,這也算不上什么,光是爸爸開車上班消耗的能量,就比全家人用掉的還多,因為 1 馬力相當于 735.49875 瓦特。著名跑車布加迪的發動機功率正好是 1001 馬力。
排在瓦特后面的是千瓦,也就是 1000 瓦特。盡管我們的游泳健將弗蘭齊斯卡·阿爾姆西克常與金牌失之交臂,但她的運動功率在很短時間內就能達到 1.5 千瓦。這已經相當不錯了——歐洲最強大的太陽能發電廠的工作功率為 500 千瓦。弗蘭奇斯卡只需要來回游上 333 次,就可與發電廠媲美了。
1000 個千瓦等于 1 百萬瓦,一個大型風力發電設備需要達到這個量級才能實現經濟效益。德國鐵路的城際快車需要 8 百萬瓦的動力才能運行,而美國海軍的航空母艦則至少需要 200 百萬瓦的能源支持才能前往中東服役。1000 個百萬瓦等于 1 吉瓦,1000 吉瓦等于 1 兆瓦。目前測量到的最強的激光束為 1.25 拍瓦。
接下來,每次乘以 1000 還有艾瓦、澤瓦和堯瓦。親愛的太陽公公以 386 堯瓦的能量照耀著我們,但如果拿它跟銀河的光芒相比,那就又不值一提了。兩者相比就好像是昏暗的燈光跟伽馬射線對比一樣。
你還記得嗎?從奧陶紀過渡到志留紀時,就是因為伽馬射線的出現導致了大規模的生物滅絕。我們不知道還有什么比它更強,至少我們從未觀測到更強的光。
不過可以肯定的一點是,從宇宙大爆炸那時開始,我們的宇宙就已釋放了難以用瓦特這個概念來計算的能量,就好像《米老鼠和唐老鴨》里面那位吝嗇的老鴨叔叔,他的財產也是無法用十億或者萬億來計量的:這位世界上最富有的公鴨的財產,只能用無數億來描述了!
再說一點點跟物理有關的內容,然后我會就此打住。
我們總是能看到“千瓦/時”這個概念。瓦特表示的是功率,而“千瓦/時”則表示所做的功,也就是 1 小時所轉換的能量。一個連續運轉的發電廠,每天 24 小時都為我們提供恒定的電能,但是風車卻無法做到這一點。如果沒有風的話,這些設備也會停止運行。此時人們使用一種輔助手段,比如平均功率是指這臺設備每天提供若干千瓦的功率。也就是說,根據磨坊主一家人每天所需的電量,可從風力發電廠獲得 8、12 或 16 千瓦/時的電能。
國際標準單位本來是科學界推動的一項發明,但后來卻成為經濟學上的一種基礎語言。當然,特立獨行者永遠都不會消失。美國幾乎只在科學研究方面使用國際單位,英國用哩和碼來計算距離,用華氏來計算溫度,當人們需要喝點健力士黑啤酒時,他們會要上一品脫。“半品脫,”小老板常常會說,“是給娘兒們喝的。”
德國:零分——海洋能源方案比一比
據推測,到 2050 年,全世界人口將會消耗 30 兆千瓦/時的能量,如果那時的人口數量增加至 100 億的話。這還不算是大問題,我們可以從海洋中獲得足夠的能源。但實際上要達到這點要求并不簡單。盡管水力發電廠能夠產生大量電能,例如巴西的伊泰普水電廠,總發電功率為 12600 百萬瓦,相當于 10 座中等的核電廠。到 2009 年,中國三峽水電站的發電容量可達 18200 百萬瓦。但是這些發電廠都是內陸電廠,它們利用的是河流的能量。海洋的情況與河流不同,它沒有穩定的水流,因此到目前為止,能源業一直忽視海洋。目前有 5 種方案還是值得我們討論的。