可以用“重量”单位来描述电能吗?
我们都知道,电能其实是能量单位,而“斤”其实是重量单位。在日常生活中,我们一般都是用“度”来描述电,这是老百姓的用法。在物理学中,我们一般用“焦耳J”或者“瓦特W”来描述电能和电功率;用千克来描述质量。而"1斤的电能可供全世界使用多久?”乍一听起来怪怪的,但到底是不是成立,我们还是需要从理论出发。
其实这个问题的核心是,电能能不能用“斤”来描述。那我们先直接给出答案:可以。
那为什么可以呢?
质能等价
其实这个问题要从物理学的一位超神级的人物说起,他是20世纪最伟大的物理学家,他就是爱因斯坦。
在爱因斯坦之前,物理学面临着前所未有的挑战,这个挑战来自于光速。
当时的经典物理学有两大基础理论,分别是牛顿力学和麦克斯韦理论。但是两者在光速的问题上是矛盾的。具体来说是这样,麦克斯韦理论当中导出了光速的表达式,这个表达式是一个固定值,不需要参考系。而牛顿理论认为任何速度都是相对于参考系而言的。所以,在光速这个问题上,两个经典物理学最重要的基石理论竟然是矛盾的。
关键是,后来科学家想尽各种办法要进行调和,结果都失败了。也就是在这个时候,爱因斯坦横空出世,提出了著名的狭义相对论,利用光速不变原理和相对性原理推导出了狭义相对论。狭义相对论其实并不是我们这里的重点,不过呢,后来爱因斯坦接着狭义相对论之后,又发表了一篇论文,叫做质能等价。这篇论文当中有一篇后来我们非常熟悉的公式E=mc^2,我们也管这个方程叫做质能方程。
而在这篇论文当中,爱因斯坦就统一了质量和能量,他认为质量和能量压根就是一回事,是一个东西的两个不同的面,质量当中是有能量的,能量当中是有质量的。或者我们其实可以这么理解,物质其实就是高度压缩的能量,而描述物质的其实是用质量来描述,也就是说质量应该和能量是对应关系,或者说等价关系。
我们常常会有个误区,那就是在核弹爆炸的解释上,我们常说是爆炸前后,质量转化为了能量。实际上,这是一种转化观念,但并不对。原因是反应前后质量没有损失,只是这部分质量是以能量的形式释放出来的。
如果我们把一颗原子弹放在一个理想的封闭器皿当中,这个器皿放在一个理想的秤上,器皿与外界没有任何的物质和能量的交换,这时候我们引爆原子弹,然后观测这个秤,这个秤按照爱因斯坦的理论应该是不会动的。所以,反应前后的质量是守恒的,能量也是守恒的,因此质能是守恒的。能量和质量是等价的关系,而不是转化的关系。
我们日常并不觉得能量有质量,是因为质量太小了,通过质量方程我们就知道,m=E/c^2,c^2=9*10^16,所以,质量m=E/(9*10^16),发现没有,再大的能量,除以这个光速的平方,都会是很小的数,所以我们很难能感觉到光的质量,但并不是说它没有质量。
一斤电能对应多少的能量?
同样的电能,其实也是一种能量,它也是对应着相应的质量,也是用上文的表达式来进行计算的。一斤是0.5千克,带入计算就可以得到E=0.5*9*10^16=4.5*10^16J。那这是多少度电呢?
我们知道,一度电应该是:3.6*10^6J。所以度数=(4.5*10^16J)÷(3.6*10^6J)=1.25*10^10度,也就是125亿度。
那这些电能能够供全世界使用多长时间呢?
通过查数据我们可以知道,2018年的全球人均的用电量是3130.71°。(数据来源于世界银行,目前还没有2019年的。)
然后,截止于2018年,世界人口总数达到了75.74亿。(数据来源于世界银行)
因此,我们就可以通过简单的乘法:3130.71度×75.94亿=23.77万亿度,一天用电就是651亿度左右,一小时用电量大概是27.125亿度。而上文我们也计算得到一斤电能对应的125亿度,因此,我们就可以得到一斤电能大概够用全球人民使用4.6小时。
当然,我们依然可以回过头来算一下,全球人民一年要用多少斤电能,算下来大概是1781斤左右。