高中工程/工程师是人
工程是一项人类事业。人类为了满足他们的需求，一直在从事工程，只要他们有需求。当我们面临问题、需求和愿望时，我们就会发明和创新。发明存在并不断被创造出来，以满足我们日常生活中的需求，例如获得水、能源、交通和娱乐。佩特罗斯基 (2004) 说：“制造东西是一种和文明一样古老的活动，制造越来越多的新东西是人类的一部分”。我们的生活充满了人类设计制造的技术发明（图 1）。然而，工程的根本性质或工程师所做的事情并不是日常知识。例如，我们中的许多人并不熟悉用于建造将水、燃气或电力输送到我们家中的系统的基本原理。
工程是设计、分析和创造在我们生活中实用和有用的东西。在本质上，工程包含设计。简单地说，设计就是创造以前不存在的东西。工程师帮助设计、创建或改变我们生活中遇到的几乎所有东西，包括我们感受、吃、看和听的东西。
在本节中，我们将考虑一些不同的工程成就，这些成就极大地改变了我们今天的生活方式。然后，我们考虑工程对自然资源可持续性的影响，并简要关注一项非常重要的资源：水。
为了生存，人类和动物只需要水、食物和住所等基本生活必需品。除了这些基本生活必需品外，动物，有时也包括人类，还需要保护自己免受其他动物（捕食者）的侵害。然而，今天的大多数人并不必担心成为其他动物的食物。尽管我们需要水、食物、衣服和住所，但我们中很少有人从井或河里取水；自己种植或杀死自己的食物；自己制作布料和缝制衣服；或者，用自己的双手建造自己的房屋。我们没有自己做这些，因为人们发明了产品、工具和系统来为我们做这些，让我们能够以其他方式有效地利用时间。
我们更愿意做一些其他的事情，而不是想办法将干净的水输送到我们的家中，种植庄稼，饲养家禽，制作布料和缝制衣服，或建造房屋。这是因为在我们之前的所有人创造了满足他们和我们需求的发明才成为可能。这些发明从犁或轮子的基本技术到今天让我们能够管理和维持我们的自然资源或进行太空探索的先进技术。人类的需求和愿望始终通过工程成就得到满足，这些成就极大地改变和影响了我们的生活，尤其是在过去的一百年里。
美国国家工程院 (NAE) 确定了 20 世纪的 20 大工程成就；这些成就记录在 Constable 和 Somerville (2003) 的书中以及网页上 (http://www.greatachievements. org/)。这些成就将在全球和社会影响工程部分更详细地介绍。这些成就包括我们每天都在使用并且可能视之为理所当然的许多技术。
我们将在这章中更详细地考虑这些成就之一，即供水和配水。水对我们的生命至关重要。当我们打开厨房水龙头，干净的饮用水从水龙头流出时，我们很少停下来思考这水是怎么来的（图 2）。然而，将干净的水输送到您的家、学校或办公室需要一个先进的处理和分配系统。想象一下没有室内管道的生活。然而，即使在当今世界，仍然有许多人没有自来水、厕所、浴缸或淋浴。维持水质并将水分配给人们居住的地方是永恒的挑战。重要的是要记住，水不仅对我们基本生存至关重要；在当今世界，水被用于许多其他目的，以维持我们的生活方式。
目前的预测表明，地球人口将在 2050 年达到约 90 亿。到 3000 年，世界人口预计将是今天 66 亿人口的两倍。预计大部分增长将集中在非洲、亚洲和拉丁美洲的发展中国家。满足未来人口最基本的需求意味着对我们环境和有限的自然资源造成越来越大的压力。这意味着商品和服务的生产和消费不断增加，以及对土地、能源和材料的需求不断增加（NRC，1999）。虽然过去一个世纪的工程成就提高了发达国家的生活水平，但未来的挑战是减轻贫困，提高地球上所有人的生活水平，同时维持我们的自然资源。
当我们考虑过去的工程成就时，我们还需要考虑它们对我们生活和地球的意外后果。我们必须问问自己：我们的工程成就对社会、经济和环境的影响是什么？在没有考虑附近自然和人造系统的情况下，许多工程决策无法做出，因为当代工程系统会影响环境，一直影响到未来。迫切需要降低与工程系统相关的自然资源和人造世界的不必要的干扰的风险和程度。
根据国家研究委员会 (NRC，1999)：“可持续发展——从长远来看，将社会的可持续发展目标与环境限制相协调——是最近将世界人民对和平、自由、改善生活条件和健康环境的集体愿望联系在一起的概念重点”。工程师有义务满足所有人类对水、营养、能源、卫生和健康的基本需求，以及保护地球资源，包括我们的文化和自然多样性。
下一部分将重点关注人类的基本需求之一：水。水是一种常见的物质。它的化学式 H2O 广为人知。它是一种生命之源的自然资源。地球表面的 71% 被水覆盖，其中大部分是咸水（图 3）。水对地球上大多数生物至关重要。例如，人体 50% 到 70% 由水组成。
水是地球上为数不多的几种物质之一，可以自然地以三种状态存在：固态（冰）、液态（水）和气态（水蒸气）。这些状态之间的一个显著区别是它们的密度。（这里的密度是指水分子彼此之间的距离。特定体积内水的质量决定了水的密度。）气态的密度最低，而液态的密度最高；固态（冰）的密度低于液态。热水密度低于冷水。因此，加热和冷却水会影响其密度。
水是许多化合物的极佳溶剂。因此，自然界中几乎不存在纯净水；大多数水中都溶解了物质。当水以降水的形式降落到地球上时，它会溶解土壤和岩石中的物质。例如，这会导致硬水，即溶解了镁和钙的的水。下次你购买瓶装水时，请阅读标签。你可能会惊讶地发现，你喝的纯净泉水不仅仅是H2O，还含有化学物质。事实上，你购买的瓶装水标签上甚至可能列出了这些化学物质及其含量。你喝的大多数水中都含有离子。水中的这些离子使其呈酸性或碱性。水的pH值是衡量其酸度或碱度的指标；pH指数与水中游离氢离子的浓度相关。
水是一种自然资源，维持其供给以满足未来人口的需求是一个重大挑战，需要创造性的工程技术。水被工业、农业和家庭使用。在北美许多地方，人们可以获得他们所需的所有清洁水。然而，世界上许多地方的水供应有限。大多数用水实际上降低了水的质量；这对许多工业过程中使用的水以及人类使用的水都是如此。
我们的家庭、社区、文化、地理区域和流行的经济往往会影响我们对水的价值观。例如，如果你来自一个农业地区，你的生计依赖于农业用水，那么你可能比一个依靠娱乐行业（如经营电影院）为生的人更重视或更重视水的价值。
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活动 花几分钟时间思考你一生中遇到的水的各种用途。拿出一支笔和一张纸，列出你能想到的尽可能多的水的用途。将你的清单与其他人的清单进行比较。它们有什么不同？它们有什么共同点？ |
以下问题将帮助你评估你对本节的理解。每个问题可能有一个、两个、三个甚至四个正确答案。为了展示你的理解，你应该找到所有正确的答案。
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