史海钩沉
8岁的爱迪生被老师斥为低能儿而被赶出学校,作为教师的母亲承担起了对他的教育工作。在母亲的悉心培育下,爱迪生很小就能阅读文学著作,9岁多便开始阅读自然科学方面的书籍。
长大后的爱迪生在铁路系统做报务员,因发明自动发报机器以免除值夜班报时被老板炒了鱿鱼。但他仍然热爱发明,并崇尚将事情自动化,除了自动发报机外,他还发明了自动投票机等装置。
人类在学会使用电后,也用电来进行照明。因为电流通过电阻会发热,而电阻达到一千多度后会发光,但当时作为电阻的金属在如此高的温度下会融化或氧化,因此电灯的使用寿命非常短暂。
为了找到耐高温又不易融断和氧化的灯丝,爱迪生和他的同事们用近1600种材料进行试验。在试验中,他发现将灯泡抽为真空后可以防止灯丝氧化,并研制出可以连续使用40多个小时的碳化棉丝灯泡。但碳化棉丝的缺点是非常容易断裂。最终,经过不断改进,爱迪生和团队找到了熔点高达三千四百多度且不易氧化的钨丝,钨丝电灯可以使用一千小时以上。
溯源揽胜
从野蛮时代到文明时代,人类文明的发展离不开科技的进步,而每一次科技的革新往往又伴随着一种新能源的发现。
火的发现让人类脱离了黑暗世界与茹毛饮血的野蛮时代,步入了原始文明。借助石器、弓箭和火,原始人类从事狩猎采集这一重要的生产活动,这是一种直接依靠大自然的被动劳动,对自然资源的开发和支配能力极其有限。
青铜器、铁器、陶器、文字、造纸术和印刷术等科技成果的出现标志着人类步入了农业文明时代。铁器农具助力人类从被动接受自然的赐予变成了主动索取与改造自然,极大地提高了人类对自然力和可再生能源的利用,同时,文字、纸张等的出现也让人类迈入了记载与传承智慧的时代。
煤成为新能源,得到广泛应用,是在18世纪60年代至19世纪40年代的第一次工业革命中。这一阶段,纺织机、蒸汽机、有线通信和无机化工材料、高炉炼钢技术等问世,开辟了科技进步和产业革新的新时代。瓦特制造了第一台实用型蒸汽机,将人类文明推入一个崭新的时代。
第二次工业革命始于19世纪60年代后期,使得石油和电力成为新能源,发动机、内燃机、汽车、飞机、转炉炼钢、有机化工材料、电话及无线电通信的诞生也加速了世界经济的发展和人类文明的进步,人类由此进入电气时代。
第三次工业革命即第三次科技革命,始于20世纪四五十年代。原子能等成为能源“新宠”,计算机、集成电路、光纤通信、基因工程、自动化技术、柔性加工系统诞生,推动了世界科学技术的飞跃和产业结构的变革。
20世纪80年代以来,微电子技术、信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋技术、人类生命科学技术和载人航天技术等高新技术产业迅速崛起,新科技革命正推动着第四次产业革命的浪潮。
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火的发现让人类脱离了黑暗世界与茹毛饮血的野蛮时代;文字的出现,让人类迈入了记载与传承智慧的文明时代;蒸汽机的发明,为人类开启了工业世界的大门;电的使用和普及宣告了电气时代的来临;计算机的出现让自动计算变为现实;互联网的诞生为人类提供了新的通信手段和资源共享渠道,深刻改变了世界的发展进程,成为人类文明史上一道耀眼的光芒……可以说,人类历史的每一次进步都与一种新的能源的发现密不可分。
能够提供能量的资源统称为“能源”。能源广泛存在于自然界之中,伴随着人类智慧的提高而被发现和利用,能够直接为人类的生产生活带来能量,强有力地推动人类社会的进步与发展,因此,每一种新能源的发现和利用都与人类文明密不可分。
能源按照来源可分为三大类:一是来自太阳辐射的能量,如煤、石油、天然气、油页岩、生物燃料、水能和风能等;二是来自地球本身的能量,如地热能、原子核能;三是月球、太阳对地球的引力及相互间位置的变化产生的能量,如潮汐能。我们利用天然气煮饭,利用热能取暖,利用电能使用各种家用电器和娱乐电子设备,闲暇时与家人一同泡温泉放松身心……这些都是我们日常生活中使用得非常广泛的能源。在社会生产领域,能源可以直接影响一个产业甚至人类社会的生存与发展,例如煤、石油等。
煤是古代植物埋藏在地下,经过复杂的生物、物理、化学变化所形成的固体可燃性矿物。作为18世纪以来人类世界使用的主要能源之一,煤一度曾享有“黑色的金子”“工业的食粮”等美誉,与之媲美的是“工业的血液”——石油。石油作为一种重要资源和战略储备物资,还曾成为历史上多次战争的导火索。与煤一样,石油也需经过漫长的地质变迁才能形成,储存量有限且不可再生。此外,过度使用化石燃料,还会对自然环境造成灾难性伤害。因此,这些能源并不是取之不尽用之不竭的,也并不是有百利而无一害的,倘若过分依赖这些能源,待到能源消耗殆尽,人类世界又将何去何从?
越来越多的国家意识到非再生矿物能源的枯竭可能带来危机,纷纷加强对新兴能源技术的探索。未来,人类将不断突破技术瓶颈,以核能、水能、生物能、太阳能、风能、地热能、海洋能等新能源逐步取代化石能源,寻求人与大自然的可持续发展。
既然新能源拥有广阔的利用前景,那究竟什么是新能源呢?它有什么特征呢?其应用现状和未来发展又是怎样的呢?
新能源是与常规能源相区分的。按照开发和利用状况分类,技术上较成熟且被大规模使用的称为常规能源,如煤、石油、天然气、水力、电力等,而像太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及氢能等尚未大规模使用并处于开发阶段的能源则被称为新能源,也叫非常规能源。与常规能源相比,新能源具有资源丰富、普遍具备可再生特性、对环境影响小、分布广等优势,但也有着能量密度低、开发利用成本较高等缺点。
目前,部分可再生资源的利用技术已经取得成果,并在世界各地逐渐被推广和应用,如生物质能、太阳能、风能以及水力发电、地热能等。随着世界各国对环境保护的日益重视和对节能减排的大力倡导,新能源快速崛起,各国纷纷出台鼓励开发新能源的相关政策。
未来,我国的新能源发展战略分为三个发展阶段:第一阶段到2010年,实现部分新能源技术的商业化;第二阶段到2020年,大批新能源技术达到商业化水平,新能源占一次能源总量的18%以上;第三阶段是全面实现新能源的商业化,新能源大规模替代化石能源,到2050年,在能源消费总量中新能源至少达到30%。在国家政策的大力推动之下,我国的新能源发展已经超越起步阶段,步入成熟发展阶段,目前发展态势位于前列的新能源为风能、电能、太阳能等,然而,新能源的总体利用率在能源占比中仍然偏低,利用成本偏高是制约新能源大规模使用的主要因素。因此,未来新能源发展需要重点突破技术障碍、降低利用成本,并综合考虑市场等诸多因素,这也是我国加强生态文明建设、推进新型工业化进程的题中应有之义。
历史回声
机器将参与许多事务,而不是只靠人类手工来完成,女裁缝师操劳于缝纫机上的日子将一去不复返。
——美国电学家和发明家 爱迪生
对于科学家来说,不可逾越的原则是为人类文明而工作。
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