当你在阅读这篇文章时，你体内的6×个细胞，正进行着数不清的化学反应你的个脑细胞平均每秒进行00次互动所有的一切，都离不开能量一天中，人体将产生900个ATP分子历史能量的英文“energy”一字源于希腊语：?ν?ργεια（energeia），该字可能首次出现在公元前四世纪亚里士多德的作品中。能量的概念出自于戈特弗里德·莱布尼茨的生活力（拉丁语：visviva）想法，而它的定义是一个物体质量和其速度的平方。他相信能量是守衡的。贾斯帕-古斯塔夫·科里奥利在年提出了“动能”；年，威廉·兰金提出了位能这个词。对于能量是一种物质，还是像动量般只是一个物理量，这个问题争论了几年。威廉·汤姆森，第一代开尔文男爵将以上这些定律合并到了热力学的定律中，并促成了鲁道夫·克劳修斯、约西亚·吉布斯和瓦尔特·能斯特三人在化学反应解释上的快速发展。自年开始，我们知道能量守恒是能量的共轭量、时间的平移对称所得到的数学上的自然结果。永动机？第一类永动机第一类永动机是最古老的永动机概念，这一类永动机试图以机械的方式在不获取能源的前提下使体系持续地向外界输出能量。历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在十三世纪提出的“魔轮”，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。十五世纪，达芬奇也曾经设计一个相同原理的类似装置，年曾有人将达芬奇的设计付诸实践，制造一部直径5米的庞大机械，但是这些装置经过试验均以失败告终。这就引出了热力学第一定律：1.物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和。2.系统在绝热状态时，功只取决于系统初始状态和结束状态的能量，和过程无关。2.孤立系统的能量永远守恒。2.系统经过绝热循环，其所做的功为零，因此第一类永动机是不可能的（即不消耗能量做功的机械）。2.两个系统相互作用时，功具有唯一的数值，可以为正、负或零。魔轮：右侧重垂在重力作用下远离转动轴，力矩随之增大，驱动魔轮转动，但由于左侧重垂数量更多，平衡了系统力矩，永动无法实现。达芬奇也曾设计过永动机，原理与魔轮类似第二类永动机那么，如果如果仅让这些机器不断运动下去，而不对外做功呢？这类永动机依然无法实现，热力学第二定律告诉我们孤立系统自发地朝着热力学平衡方向──最大熵状态──演化，这也就意味着，能量总是通过某些方式趋于散失。例如摩擦。因此，这些机器运动所需要的能量总会散失掉.。第二类永动机也无法实现能源能源发展史薪柴薪柴是人类第一代主体能源。同时，这也是人类使用最长的一种能源之一，人类从约两百万年即开始使用火，一直到十七世纪中叶，薪柴才逐渐被煤炭取代。事实上，人类非常幸运。薪柴的能量密度达到了2.1×J/KG,超过了很多化学电池。煤炭随着工业革命的进行，生产力大幅提高。薪柴逐渐被效率更高的的煤炭取代，煤炭的能量密度达到了3.2×J/KG，是当时代替薪柴的不二选择，很快煤炭成为全球第一大能源，这也随之带动了钢铁、铁路、军事等工业的迅速发展，大大促进了世界工业化进程，煤炭时代所推动的世界经济发展超过了以往数千年的时间。蒸汽机电气时代18世纪60年代，人类进入第二次工业革命。。第二次工业革命以电力的大规模应用为代表，电灯的发明为标志。内燃发动机，新材料与物质，包括合金和化学品，以及如电报和无线电等通信技术，相继问世，人们对电力的需求大幅增加。内燃机由蒸汽轮机作动力的发电机出现起，煤炭被转换成更加便于输送和利用的二次能源——电能。早期发电机，发电机转子切割磁感线，即可产生感应电动势.年，随着美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发端，世界进入了“石油时代”。相对于煤炭，石油的能量密度更高，且更易运输，逐渐取代了煤炭的地位，成为了第一能源。十九世纪中期的石油开发石油作为一种新兴燃料不仅直接带动了汽车、航空、航海、军工业、重型机械、化工等工业的发展，甚至影响着全球的金融业，人类社会也被飞速推到现代文明时代。新能源时代随着二十世纪的到来，人类对能源的消耗持续增长，传统不可再生能源面临着枯竭的风险，寻找新的能源迫在眉睫。全球能源生产能力核能其中，核能由于成本便宜，能量密度高而脱颖而出。当裂变材料（例如铀-）在受人为控制的条件下发生核裂变时，核能就会以热的形式被释放出来，这些热量会被用来驱动蒸汽机。可以直接为其提供动力，也可以连接发电机来产生电能。世界各国军队中的某些潜艇及航空母舰以核能为动力（主要是美国）。长滩号核动力导弹巡洋舰以及企业号航空母舰（年的第一艘核动力航母）。在飞行甲板上，船员们组成了爱因斯坦的质能方程E=MC2。第一个成功的核裂变实验装置在年的柏林被德国科学家奥托·哈恩、莉泽·迈特纳和弗瑞兹·斯特拉斯曼制成。在第二次世界大战中，一些国家致力于研究核能的利用，它们首先研究的是核反应堆。年12月2日，恩里科·费米在芝加哥大学建成了第一个完全自主的链式核反应堆，在这个时候，一些国家也在研究核能，它们的研究重点是核武器，但同时也进行民用核能的研究。年6月27日，苏联奥布宁斯克核电站成为世界上第一个向电网并网发电的核电站。核反应堆的功率提升迅速，从二十世纪60年代的不到1GW猛增至70年代的GW，80年代又升到了GW。(1GW=W)发电原理核能发电的基本原理是利用核裂变，裂变只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍和钚等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……（如下图），使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，这些能量被称为原子核能，为了防止核爆产生，必须使用控制棒吸收多余的中子，控制棒是由硼和镉等易于吸收中子的材料制成的。（如下图）当控制棒完全插入反应中心时，可以吸收掉大部分中子，阻止反应继续进行，将控制棒抽出一点，反应就会继续进行，控制棒对反应堆的作用相当于油门和刹车优点核能发电的优点显而易见，核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此属于清洁能源。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。1千克铀-的全部核的裂变将产生20,兆瓦小时的能量，与燃烧至少2吨煤释放的能量一样多，相当于一个20兆瓦的发电站运转1,小时。反应堆内部缺点核能发电也有不可忽视的缺点。1.核能电厂使用的核燃料，或者产生的废料，虽然体积不大，但因具有放射性，故必须慎重处理。2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境中，故核能电厂的热污染较严重。因而核能并未得到大规模应用。齐尔诺贝利事故年4月25日，4号反应堆计划关闭以做定期的维修和测试，并借此机会来测试反应堆的涡轮发电机能力——检查在电力损失的情况下是否仍有充足的电力供应给反应堆的安全系统（特别是水泵）。当日凌晨1点05分，涡轮发电机推动的水泵启动，水的流量超出了安全规定量。凌晨1点19分，水流量继续增加，由于水也会吸收中子，因此在水流量的进一步增加时，需要手动撤除控制棒以增加中子反应速率，工程师们选择拆除反应堆的控制榜，保留个控制杆中的6个，来加快反应堆的运行速率。安全章程要求控制杆的最少数量为30个，但自认为经验极其丰富的操作人员深信6个控制杆就够用了。此时水流靠涡轮发电机的惯性推动，当所有人都以为控制住了反应堆时，水流量的大幅降低时中子吸收率减弱，反应速率增加，功率的瞬间增大导致管道变形，控制棒在插入管道的三分之一就被卡住了，无法有效地停止反应。凌晨1点23分45秒，反应堆功率急升至33,兆瓦，这已达到十倍正常功率值。燃料棒开始熔化，蒸汽压力迅速地增加，导致蒸汽爆炸。意外发生后，马上有医院治疗，其中31人死亡，当中更有28人死于过量的辐射。死亡的人大部分是消防队员和救护员，因为他们并不知道野外中含有辐射的危险。为了控制核电辐射尘的扩散，当局立刻派人将,人撤离家园，其中约有50,人是居住在切尔诺贝利附近的普里皮亚季镇居民。卫生单位预测在未来的70年间，受到辐射而导致癌症的人，比例将会上升2%。太阳能太阳源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间释放能量一百亿年以来，太阳共释放1.12×J的能量,功率为3.×W,其中传输给地球的功率为1.79×W，目前全人类的消耗功率为1.75×W。地球的半径如此之小，距离太阳如此之远，太阳发出的大部分能量，都散失到了宇宙空间中，传输给地球的功率比例近似于：以日地距离为半径的球体表面积/地球的横截面积≈2.×1023M2/1.×101?M2≈太阳传递到地球的能量，仅为其全部能量的二十亿分之一。太阳能发电原理太阳能电池板主要由硅制成，硅分为两种（N型和P型）硅的原子最外层有四个电子，有些电子从外界获得一定的能量，会摆脱束缚，成为自由电子，而原先电子存在的位置就成了一个空位，这个空位被称为空穴。N型：多掺杂磷（+5价）P型：多掺杂硼（+3价）由于两种不同的硅掺杂了不同的杂质，其内部的空穴和自由电子数量不相同，当把这两种不同类型的硅接合在一起时，P型硅和N型硅交界的区域就形成了PN结。P型硅中自由空穴多，而N型硅中自由电子多，由于浓度差的关系，P型硅中的空穴会向N型硅中扩散，而N型硅中的电子也会向P型硅中扩散。这样，在P、N型硅交界的区域，就会形成一个电场，随着扩散的进行，电场强度越来越大，而电场又会把空穴往P型硅的方向推。最终电场力和浓度差形成一个平衡，这样就得到了一个稳定的PN结。当硅层受到光照时，会有更多的电子成为自由电子，由于受到电场力的作用，所有电子都会移动到N型硅层。因此便能在两侧累积电荷，若以导线连接，则可产生电流。太阳能发电绿色无污染，且取之不尽，用之不竭，但其受天气影响极大，因此只能辅助发电。尚不能成为主要能源。畅想未来反物质反物质在粒子物理学中是反粒子概念的延伸(非物质)，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子〈正电子〉能形成一个反氢原子，如同电子和质子形成一般物质的氢原子。此外，物质与反物质的结合，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭，且因而释放出高能光子（伽马射线）或是其他能量较低的正反粒子对。反物质和物质一旦相遇，就相互吸引、碰撞并完全转化为光并释放出的巨大的能量，这个过程叫做湮灭。根据爱因斯坦著名的质能关系式──E=mc2，湮灭过程会释放出正、反物质中蕴涵的所有静质量能，物质与反物质的湮灭时质量可完全转换成能量，带来最大的能源效率，且单位产量是核能的千百倍或常规燃料的亿兆倍。二分之一克反物质湮灭所产生的能量大约与广岛市原子弹爆炸所产生的能量相当。想象中的反物质驱动火箭核聚变发电核聚变发电类似于人造一颗太阳，由于恒星巨大的质量，其内部的热量足以使原子核克服斥力，当它们结合在一起时，便会放出能量。目前，比较理想的聚变材料是氘和氚截至目前，这项技术依然面临着巨大的挑战，首先很难有装置能将氘和氚加热到如此高的温度，目前，有两种方式可以做到这一点，它们分别是磁约束反应堆与惯性约束反应堆。磁约束反应堆磁约束反应堆是在灯丝的热电子或者微波等预电离手段的作用下，产生少量离子，然后通过感应或者微波、中性束注入等方式，激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个等离子体电流与外面的线圈电流一起，产生一定的螺旋型磁场，磁场将其中的等离子体约束住，并使其与外界尽可能地绝热。这样，等离子体才能被感应、中性束、离子回旋共振、电子回旋共振、低杂波等方式加热到上亿度的高温，以达到核聚变的目的。惯性约束反应堆惯性约束反应堆是利用激光或离子束作驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面,形成高温高压等离子体,利用反冲压力,使靶外壳极快地向心运动,压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度,并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑,驱动脉冲宽度为纳秒级,在高温高密度热核燃料来不及飞散之前,进行充分热核燃烧,放出大量聚变能。然而这些方法距离实现依然存在很长时间，为了使反应堆可控，其消耗的能量甚至可能大于聚变反应产生的能量。但是如果这种方法得以实现，人类将受益无穷，相较于核裂变发电，核聚变产生的核废料半衰期极短、安全性也更高（不维持对核的约束便会停止反应）。氘和氚之核聚变反应，其原料可直接取自海水，来源几乎取之不尽，因而是比较理想的能源取得方式。戴森球与卡尔达肖夫指数在年由苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫首先提出定义文明的三个层次，根据各个文明使用能源功率数量的量级：I型—文明可以驾驭一个行星的能量，约是W。II型—文明可以驾驭一个恒星的能量大，约是W。III型—文明可以驾驭一个星系的能量，约是W。当文明达到Ⅱ级时，必须能够利用整个恒星的能量，其中一种利用方式便是通过戴森球。戴森球是弗里曼·戴森假想出的包围母恒星的巨大球形结构，它可以捕获大部分或者全部的恒星能量输出。如果可以造出这种装置，我们对太阳能的利用率将会增加数亿倍，能源枯竭将永远不再是问题。然而像上图所示的这种“戴森壳”基本是不可能实现的，太空中的物体很可能轻易破坏其表面，“戴森壳”终将四分五裂。戴森球还存在以下几种形式：戴森环在这种布置中，所有太阳能收集器共享同一个轨道。一个轨道是最简单的戴森环形态，若增加轨道数目，很可能会降低轨道的稳定性。戴森泡不同于戴森云，此方案不是用环绕轨道的方法，而是通过巨大的承受光压的太阳帆来抵消太阳的引力。按照现代材料科学的能力，该方法实践起来仍存在问题，但是有潜力达到。环绕母恒星的太阳帆卫星需要一个总密度为0.78克/平方米的帆。人类目前能制造最轻的碳纤维太阳帆在无载荷时密度为3克/平方米，是建造上述太阳帆卫星所需材料密度的四倍。然而，预计通过分子制造技术实现超轻碳纳米管的手段生产的物质密度将会低于0.1克/平方米。如果在工业规模上制造这样的物质是可行的，那么它就可以利用于轻太阳帆之上。相比于其它变体，这种设想要符合实际的多。THEEND内容：高二十班梁智博精神支持：十班全体同学图片及数据来源于网络附：能量密度表来源：wiki往期推荐：法拉线圈生磁电电磁学新纪元的开创者——奥斯特最接近神的男人——特斯拉预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
