什么是能源

adldfj 2018-09-22

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人类历史也是人类利用能源的发展史。科学进步推动人类的发展，其本质仍是人类对于能够利用的能源范围的不断拓展，一方面不断发现和利用原本无法利用的能源，另一方面是存量的挖掘，能够提升已存在的能源利用水平。而这种对于能源利用范围的扩展也正是人类社会的组织形态发生重大改变的时刻。

《能源百科全书》，“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”，确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的载体物质。

人类利用能源的最终目的就是扩展自己的体能和智能。体能的进化历程表现为生物能（人和牲畜）、机械能（蒸汽机，电动机）和电能。相对于体能，智能的进化相对缓慢，主要表现为以利用生物能为载体的人脑，利用电能为载体的计算器、电脑、互联网，AI等进化下去。以把电能转化为动能的载体例如电动汽车，电动机器人、把电能转化为智能的载体例如计算器、电脑、手机、智能穿戴，智能芯片以及在这些载体上智能(计算能力)的演化肯定是未来的发展方向。

在做能源研究之前，我们要先清楚下能源的度量单位。

1、焦耳(J)是能量的基础单位，1J=1N*1m=1kg*m^2/s^2，1N=1kg*m/s^2(1kg的物体保持1m/s^2的加速度需要的力)。

2、瓦(w)，瓦特是功率的单位，1W=1J/s(1s所消耗的能量)。电的计量单位通常为kWh，1kWh=1度电=1kW*hour=1000W*3600s=3.6*10^6J。这么看，焦耳的单位好小的。

3、卡(cal)，不是标准单位，是根据水温上升时需要的热量计算出来的。1cal等于1kg的水温度上升一度所需要的热量。1卡=4.187J。1大卡=1000卡=4187J。国内煤炭都用大卡度量，食物中含有多少大卡能力，消耗了多少大卡都是这个意思。

女：每日基础能量消耗＝655.096＋9.563×(W)+1.85×(H)－4.676×（A）

男：每日基础能量消耗=66+13.7×(w,kg)+5.0×(H,cm)-6.8×（A,age）

成人男性一天平均消耗3000大卡，基础消耗1800左右。成人女性一年平均消耗2000大卡，基础消耗1200左右。体力劳动者更多。脑力劳动者男性平均一天2000大卡，女性1500大卡。一斤脂肪大概4000大卡。

一个人每天的总能量消耗=基础代谢+日常运动代谢+食物产热效应，当一天的食物量超过右边的三项总和时，会以脂肪形式累积在体内，减肥的同志们可以计算下自己每天累计多少脂肪在体内。

1kWh=3.6*10^6J=860cal。人体一天需要消耗3~4度电，比普通的冰箱消耗的能量还大。

人体热量的吸收主要通过食物获取，不同食物的所含热量也不尽相同。

4、 1kg标准煤(kgce)(kg of coal equivalent)=7000大卡。一吨标准煤(tce)(ton of coal equivalent)=1000kg标准煤=7*10^6kcal=7*10^9cal=8140kWh.

1kgce=8.140kWh或者1kWh=0.123kgce=123gce。

一般煤炭市场上有5800,5500,5000,4500大卡级别的，是没有7000大卡级别的，也就是没有标准煤级别的煤炭。假设5500大卡级别的原煤的价格变动100元/吨，那么其终端电价变动为100*5500/7000/(1000/0.32))=0.041元/kWh。0.32为发电煤耗，单位为kgce/kWh。假设5500大卡的动力煤价格为600元，按照0.32的能耗比，那么电厂发电成本价(不含其它费用)为0.244元。

国内煤炭消耗量分为消耗标准量和实际量，标准量*1.4倍就是实际量，因为国内默认的动力煤是5000大卡的。

5、人为设定1kg标准石油(toe)( tons of oil equivalent)=10000大卡.那么1kgtce=0.7kgtoe，1kgtoe=1.43tce。

国际原油一般以桶作为单位，一般情况下，一桶42加仑，1加仑=3.79升，也就是1桶159升，按照0.9kg/L算的话，一吨原油能装7桶。

6、天然气一般以J/立方米为单位，1J/m^3=38.9MJ/m^3=0.75kgce。

7、热力最基本的单位是焦耳（J）

1kcal=4.187*10^3J.

1toe=10000*1kcal=4.187*10^7J

1tce=0.7toe=2.93*10^7J.

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，也是上面的各能量单位相互转化的的原因，

其实人类所利用的能量主要包括直接的或者间接的从太阳能获取的能源，核能(地球内部)和天体相互作用产生的能量（潮汐能）。

我们来看看人类直接或者间接利用太阳能的发展形式和历史进程趋势

1、生物能，我们吃的各种食物经过消化系统，转化成热能，以脂肪的形成存储能量，通过我们的运动转化成机械能。虽然自古到近，食物的有些变化，但是转化成的热量、动能没有变过。

2、远古时代火的出现，将柴草等植物能源转化成热能，火的出现更使得人类骨骼变小，智力更为发达，把人和动物分开，可以说火对人体智能的改变丝毫不亚于对于体能的改变。使用动能主要是人力和畜力。储能主要是肌肉。特点是转化效率低，存储少，而且更为关键的是这种能量的培育时间很长（人要成年，畜力也要成年），并且本身也在不断消耗（人要生病，要休息，要死亡）。

3、煤炭的发现和蒸汽机的使用，使人类讲更多的热能转化为机械能，能量转化的效率得以提升；其次，突破了人类吃饭，体能，动能的限制。特点是效率提升，但是不能存储也不能运输，必须产后立即使用，也必须是原地产能，原地使用。

4、内燃机的使用，引起了能源结构的一次又一次变化，石油登上了历史舞台。世界各国依赖石油创造了经济发展的奇迹。

5、电能的出现改变了蒸汽机的局限性，通过蓄电技术和高压传输技术，电能能够被传递到很远的距离，并且能够方便地转化为其他的能源形势。这样一来能源的利用效率得到了提升，而且之前无法利用的能源形势，比如水能，风能，太阳能等也成为了可供利用的能源，人类利用能源的范围又扩展了。电池的使用解决了小规模电能的存储问题，但是大的储能问题依然没有解决。

6、火的出现对人类的智能是一个大的飞跃，但是蒸汽机，电能的发展对于人类智能发展有限。直到计算机的出现，但从计算能力看，计算机已经超过了人类，如果从能源的维度看，计算能力这种智能超过人类智能并不能说是天方夜谭。这一次的突破相较之前更为彻底，在这之前体能并非人类所特有，但智能一直被认为是人类所特有，这是对人类特殊性的一种突破。人类在获取了更大范围的可利用能源的同时，也将自己的独特性打破了。图灵计算机到量子计算机肯定是个大趋势，而人工智能作为完全可以独立于人类的智能能源，一旦出现更会带来彻底的颠覆。

7、如果把人类、各种生物、各种能源都作为生态圈的一个节点（传感器）的话，互联网的价值就在于将原先散落的节点连接起来，以一种更为经济低廉的方式利用这些能源存量。原先人们存量的智能要发生交互需要通过交通工具发生身体的移动才可以，且不说这种方式的时间和经济成本，单就发现这些存量智能就近乎是一件浩大的工程。互联网从根本上改变了这点，本质来说互联网是一种新的对存量能源利用的方式，降低了能源被利用的成本，从而使得人类能源利用的效能提升了，实际可用的能源变多了。