高中工程/工程師是人
工程是一項人類事業。人類為了滿足他們的需求，一直在從事工程，只要他們有需求。當我們面臨問題、需求和願望時，我們就會發明和創新。發明存在並不斷被創造出來，以滿足我們日常生活中的需求，例如獲得水、能源、交通和娛樂。佩特羅斯基 (2004) 說：“製造東西是一種和文明一樣古老的活動，製造越來越多的新東西是人類的一部分”。我們的生活充滿了人類設計製造的技術發明（圖 1）。然而，工程的根本性質或工程師所做的事情並不是日常知識。例如，我們中的許多人並不熟悉用於建造將水、燃氣或電力輸送到我們家中的系統的基本原理。
工程是設計、分析和創造在我們生活中實用和有用的東西。在本質上，工程包含設計。簡單地說，設計就是創造以前不存在的東西。工程師幫助設計、建立或改變我們生活中遇到的幾乎所有東西，包括我們感受、吃、看和聽的東西。
在本節中，我們將考慮一些不同的工程成就，這些成就極大地改變了我們今天的生活方式。然後，我們考慮工程對自然資源可持續性的影響，並簡要關注一項非常重要的資源：水。
為了生存，人類和動物只需要水、食物和住所等基本生活必需品。除了這些基本生活必需品外，動物，有時也包括人類，還需要保護自己免受其他動物（捕食者）的侵害。然而，今天的大多數人並不必擔心成為其他動物的食物。儘管我們需要水、食物、衣服和住所，但我們中很少有人從井或河裡取水；自己種植或殺死自己的食物；自己製作布料和縫製衣服；或者，用自己的雙手建造自己的房屋。我們沒有自己做這些，因為人們發明了產品、工具和系統來為我們做這些，讓我們能夠以其他方式有效地利用時間。
我們更願意做一些其他的事情，而不是想辦法將乾淨的水輸送到我們的家中，種植莊稼，飼養家禽，製作布料和縫製衣服，或建造房屋。這是因為在我們之前的所有人創造了滿足他們和我們需求的發明才成為可能。這些發明從犁或輪子的基本技術到今天讓我們能夠管理和維持我們的自然資源或進行太空探索的先進技術。人類的需求和願望始終透過工程成就得到滿足，這些成就極大地改變和影響了我們的生活，尤其是在過去的一百年裡。
美國國家工程院 (NAE) 確定了 20 世紀的 20 大工程成就；這些成就記錄在 Constable 和 Somerville (2003) 的書中以及網頁上 (http://www.greatachievements. org/)。這些成就將在全球和社會影響工程部分更詳細地介紹。這些成就包括我們每天都在使用並且可能視之為理所當然的許多技術。
我們將在這章中更詳細地考慮這些成就之一，即供水和配水。水對我們的生命至關重要。當我們開啟廚房水龍頭，乾淨的飲用水從水龍頭流出時，我們很少停下來思考這水是怎麼來的（圖 2）。然而，將乾淨的水輸送到您的家、學校或辦公室需要一個先進的處理和分配系統。想象一下沒有室內管道的生活。然而，即使在當今世界，仍然有許多人沒有自來水、廁所、浴缸或淋浴。維持水質並將水分配給人們居住的地方是永恆的挑戰。重要的是要記住，水不僅對我們基本生存至關重要；在當今世界，水被用於許多其他目的，以維持我們的生活方式。
目前的預測表明，地球人口將在 2050 年達到約 90 億。到 3000 年，世界人口預計將是今天 66 億人口的兩倍。預計大部分增長將集中在非洲、亞洲和拉丁美洲的發展中國家。滿足未來人口最基本的需求意味著對我們環境和有限的自然資源造成越來越大的壓力。這意味著商品和服務的生產和消費不斷增加，以及對土地、能源和材料的需求不斷增加（NRC，1999）。雖然過去一個世紀的工程成就提高了發達國家的生活水平，但未來的挑戰是減輕貧困，提高地球上所有人的生活水平，同時維持我們的自然資源。
當我們考慮過去的工程成就時，我們還需要考慮它們對我們生活和地球的意外後果。我們必須問問自己：我們的工程成就對社會、經濟和環境的影響是什麼？在沒有考慮附近自然和人造系統的情況下，許多工程決策無法做出，因為當代工程系統會影響環境，一直影響到未來。迫切需要降低與工程系統相關的自然資源和人造世界的不必要的干擾的風險和程度。
根據國家研究委員會 (NRC，1999)：“可持續發展——從長遠來看，將社會的可持續發展目標與環境限制相協調——是最近將世界人民對和平、自由、改善生活條件和健康環境的集體願望聯絡在一起的概念重點”。工程師有義務滿足所有人類對水、營養、能源、衛生和健康的基本需求，以及保護地球資源，包括我們的文化和自然多樣性。
下一部分將重點關注人類的基本需求之一：水。水是一種常見的物質。它的化學式 H2O 廣為人知。它是一種生命之源的自然資源。地球表面的 71% 被水覆蓋，其中大部分是鹹水（圖 3）。水對地球上大多數生物至關重要。例如，人體 50% 到 70% 由水組成。
水是地球上為數不多的幾種物質之一，可以自然地以三種狀態存在：固態（冰）、液態（水）和氣態（水蒸氣）。這些狀態之間的一個顯著區別是它們的密度。（這裡的密度是指水分子彼此之間的距離。特定體積內水的質量決定了水的密度。）氣態的密度最低，而液態的密度最高；固態（冰）的密度低於液態。熱水密度低於冷水。因此，加熱和冷卻水會影響其密度。
水是許多化合物的極佳溶劑。因此，自然界中幾乎不存在純淨水；大多數水中都溶解了物質。當水以降水的形式降落到地球上時，它會溶解土壤和岩石中的物質。例如，這會導致硬水，即溶解了鎂和鈣的的水。下次你購買瓶裝水時，請閱讀標籤。你可能會驚訝地發現，你喝的純淨泉水不僅僅是H2O，還含有化學物質。事實上，你購買的瓶裝水標籤上甚至可能列出了這些化學物質及其含量。你喝的大多數水中都含有離子。水中的這些離子使其呈酸性或鹼性。水的pH值是衡量其酸度或鹼度的指標；pH指數與水中游離氫離子的濃度相關。
水是一種自然資源，維持其供給以滿足未來人口的需求是一個重大挑戰，需要創造性的工程技術。水被工業、農業和家庭使用。在北美許多地方，人們可以獲得他們所需的所有清潔水。然而，世界上許多地方的水供應有限。大多數用水實際上降低了水的質量；這對許多工業過程中使用的水以及人類使用的水都是如此。
我們的家庭、社群、文化、地理區域和流行的經濟往往會影響我們對水的價值觀。例如，如果你來自一個農業地區，你的生計依賴於農業用水，那麼你可能比一個依靠娛樂行業（如經營電影院）為生的人更重視或更重視水的價值。
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活動 花幾分鐘時間思考你一生中遇到的水的各種用途。拿出一支筆和一張紙，列出你能想到的儘可能多的水的用途。將你的清單與其他人的清單進行比較。它們有什麼不同？它們有什麼共同點？ |
以下問題將幫助你評估你對本節的理解。每個問題可能有一個、兩個、三個甚至四個正確答案。為了展示你的理解，你應該找到所有正確的答案。
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