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一斤重的电能供全世界用多少年呢?

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宇宙解码 2021-11-25 23:48

一斤重的电能供全世界用多少年呢?

这个问题看起来有些无厘头,因为按照常识,电是无法论斤两来计量的。但更深奥一点的科学往往不能用人们的生活常识来度量,比如质能方程,就是当今最热火的科学家爱因斯坦一大发现,他这个惊世骇俗的发现,就让电可以用秤来称了。

这位网友是想从这个方向来提出这个问题吗?不知道,但我只能从这个方向来答了。

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质能方程是揭示质量和能量关系的科学。

在人们生活中,甚至在经典物理学中,质量和能量都是两个完全不同的概念,它们之间没有当量关系,也就是没有固定比价的东西。人们在生活中当然知道,2kg木柴比1kg木柴烧开的水会更多,似乎也有一个正比例关系,但1kg木柴和1kg白菜比呢?他们的能量会一样吗?过去的物理学和吃瓜群众肯定会说,这怎么会一样呢?

爱因斯坦狭义相对论得出的结论就是:1kg木柴和1kg白菜蕴含的能量是一样的。爱因斯坦认为质量和能量之间存在着对应的当量关系,任何同等质量的物体能量都是等价的,而同等的能量所包含的质量也是一定的。质量与能量这种等价互换关系,可以用公式表达,这就是著名的质能方程:E=MC^2。

这里的E表示能量,单位J(焦耳);M表示质量,单位kg(千克);C表示光速,取值约300000000m/s(米/秒)。从这个质能方程式我们可以得出,一个物体总能量等于其质量与光速平方的乘积。

这个方程,解开了我们宇宙中物质来源之谜,从而让我们越来越明白:宇宙大爆炸开始那一刻,宇宙中只有能源,这些能源随着宇宙温度、密度、压力下降,才渐渐生成了原子分子,最终形成我们看到的一切物质,包括地球上亿万种生物和我们自己。没有这种转换,就没有今天的世界,也没有我们人类。

根据这个理论,我们就可以来称称1斤电有多少了。

我们都知道,1斤为500g,但怎么来理解1斤电,也就是500g电呢?现在我们按照科学方法来衡量,根据质能方程来测算。我们把1斤电理解为1斤物质转化能量,折合成电能的数量。在地球上1斤东西约等于500g质量,根据质能方程,500g质量所蕴含的能量为:

E=0.5x(300000000)^2=4.5x10^16J

也就是说500g质量的物质如果全部转化为能量,可制造出4.5亿亿焦耳的能量。电以w(瓦)计量,1w=1J/s(焦/秒),1度电为1kwh(千瓦时),也就是3600000J/s为1度电,500g质量的能量就相当125亿度电。

世界上2019年发电总量为27004.7Twh,1Twh=1x10^9 kwh,而500g质量转化的能量相当电能为1.25x10^10kwh,这样我们就可以得出,500g质量包含能量相当电能,只够全世界用12.5天。

质量全部转化为能量虽然很厉害,但仅仅1斤物质能量相当的电能,要想全世界使用很多年还是太夸张了。想一想,如果真的能够把物质质量全部实现能量转化,按2019年世界用电量,也只需要不到30kg的质量,还不够惊世骇俗?

人类现在掌握的质能转换能力还很弱小。

不过迄今为止,人类质能转换的能力并不大,煤炭和化学能源质能转化率很小,只有100~10亿分之一;核裂变才能够达到0.13%,也就是1kg质量只得到1.3g质量的能量。核聚变比这个转化率高了5倍多,质能转化率达到0.7%,但目前人类还无法控制,只能够在氢弹上使用,“轰”的一下就没了。人类要能够真正享受核聚变带来的质能转换率,还需要达到可控核聚变,也就是慢慢释放能量的核聚变能,这项研究还有很多困难需要攻克。

理论上可以达到的完美质能转换,也就是物质100%全部可以转化为能量的途径,只有正反物质的湮灭。但对我们人类来说,反物质极其难得,科学家们花费了无法计量能量和人力财力,弄了几十年,得到的反物质还不够烧开一杯水。因此,要实现用反物质与正物质湮灭实现质能转化还完全是个幻想。

即便可控核聚变实现了商业化运营,人类质能转换能力也只能够达到0.7%,质能转化中间还有99.3%的能量转化空间需要人类继续前赴后继去发掘。爱因斯坦已经为我们找到了打开物质能量大门的金钥匙,但在这个能量宝库里,所有的保险柜都是锁着的,人类打开了核裂变和核聚变的柜子,还有千百个柜子的钥匙需要寻找,你能找到哪一把呢?

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