为什么人类已经开始利用核能,却还是在通过“烧开水”提取能量?
为什么人类已经开始利用核能,却还是在通过“烧开水”提取能量?
人类从钻木取火到蒸汽机的发明,再到核能的利用,能源技术经历了巨大的飞跃。然而,一个有趣的现象是,即使在核能时代,我们仍然主要依靠"烧开水"的方式来提取能量。为什么水这种看似普通的物质,能够成为现代工业社会的基础?本文将为您揭示其中的科学原理。
自从人类学会了利用“烧开水”的力量,科学技术便迎来了质一般的飞跃。要知道在远古时期,人类利用的也仅有太阳辐射所带来的光热。虽然微乎其微,但却是我们赖以生存的能量来源。
直到某一天,人类学会了钻木取火,第一次开始支配自然力的力量,进而进入薪柴能源时代,并自那之后将自己从野兽的类别中超脱出来。
但人类最引以为傲的技术飞跃,还是在1769年蒸汽机发明之时。由于当时低热值的木材已经无法满足生产需求,所以人类便将目光锁定在了煤炭上。并通过燃烧的方式转换为热能,进而利用热能驱动机械。
也是自那之后,人类似乎便再也逃不开“烧开水”的命运了。因此在之后十九世纪末发明出内燃机之时,便顺理成章的使用石油烧开水的方式,带动各种机械运作。甚至即便是高大上的核能,目前也只是将核反堆当成烧开水的热源。
所以到底是什么令我们如此依赖蒸汽?甚至是整个现代工业社会,都建立在“烧开水”的基础之上?其实要回答这个问题,并没有想象中那么困难!
其实我们之所以如此依赖水作为能量转换的介质,还要归咎于水本身的特质。首先,水在地球上很是常见,甚至覆盖了地球表面的71%,所以水非常便宜。
再加上其无毒,同时还很容易从液体转化成高能气体并能重复使用的特性,就成了非常理想的能量转化介质。
所以通过将水煮沸,将热能转化为机械能,进而转化为电能,是一种非常简单、快捷、甚至有些粗犷的方式。
毕竟当水在一个封闭的容器内变成蒸汽时,会很轻易的急剧膨胀并增加压力。而高压蒸汽可以储存大量的热量,如果再给它一个出口,蒸汽会以很高的流速流过。
因此若是将涡轮机放在其出口路径上,逸出蒸汽的力量将使涡轮机的叶片旋转。而末端的电磁铁则会将这种机械运动转化为电能。更重要的是,当蒸汽凝结成水,这一过程还能再次开始。
然而需要注意的是,“烧开水”其实也是相当复杂的技术,尤其是跟几十年前相比,人类“烧开水”的本事早已更上一层楼。而那则是一种被称为超临界水的状态。
不同于我们熟知的气态、固态和液态这三种水的常见形态。水的第4种形态,即超临界状态的水,已经颠覆了物理学。
当然,“超临界水”的形成环境非常特殊,只有在高温和高压的环境条件下才能出现。并且不同于常温常压下的液态水在温度到达100摄氏度时,会转化为水蒸气扩散到空气中的性质,“超临界水”的温度可以保证在达到460摄氏度时也不会转化为气体,而是处于一种超临界的状态。
此外,由于处于超临界状态的水,相比于次临界状态时,温度会更高,所以就可以在相同时间及相同流量下,传递更多的热量,也就是说可以提高热能转换为功的效率的。而这还意味着在消耗相同的燃料前提下,能发出更多的电。
所以别看我们的能源进阶是一直在用不同的方式“烧开水”,就小看了人类文明的技术进步。我们之所以选择烧开水,这是因为人类还没有找到比水更合适的能量转化介质。