地球一直吸收太陽能量,但地球一直能源稀缺,這符合能量守恆嗎?

2020-12-13 身體自我修復研究者

對於我們人類目前的科技水平來說,並不是所有能量都能利用的,而且低熵才是能量的價值。

地球每秒到底接受太陽多少能量?

太陽每秒總電磁輻射為3.827×10^26瓦,這個值也有一個名稱,叫做光度值。

太陽常數為1367瓦,即地球上每平方米大約1367瓦特[1353(±21) W/m2(1976年, NASA)],

按地球的截面積是127,400,000 平方公裡來計算,可得出地球每秒從太陽接收約1.74×10^17焦耳能量,這個能量很大,是人類所需要能量的數千倍。

而大氣層大約要反射34%的太陽光。

所以,到達地面的太陽能大約是每秒1.15×10^17焦耳。

而1945年美國在廣島和長崎丟下的原子彈釋放能量大約為5.5×10^13焦,所以說地球每秒接收到太陽的能量相當於2091顆廣島原子彈。

雖然地球每秒要從太陽那吸收這麼多的能量,但當地球溫度升高後,地球還會以紅外線的方式向外散熱。

一般散發的熱量與地球溫度成正比,溫度越高散發越多。當溫度保持穩定時,基本上吸收的能量和散發的能量就相等了。

所以重要的不是能量的多少,而是有用能量的多少,處於低熵形式的能量才有用。

這裡補一句:當大氣中的二氧化碳增多後,一部分本來被地球散熱出去的紅外線,會又被反射回來,導致地球不容易散發熱量,就這表現為我們常說的「溫室效應」。

低熵的能量才有價值,而熵增卻是不可逆的必然。

由於能量守恆,所以任何封閉系統內的能量總量是不變的,但是能量的有用價值是層層遞減的。

比如,水壩後的水是一種有用能量,它會向下流動直到兩邊水位相同,而不會逆流向上。

再比如,一杯熱水含有用能量,可以融化冰塊使水達到一個中等的溫度。

但你永遠不會看到在能量總量不變的情況下,讓一杯溫水變成熱水,再同時自行生成冰塊。

所以,有用能量必須是不平衡的能量,這就是低熵能量的本質。

我們只能利用低熵的能量,而無用能量即高熵的能量無法被利用。

比如,馬路上的行駛車輛的噪音、或放在地面上物體的勢能、地球每天夜裡向太空輻射的紅外線,這些都是無用的高熵能量。我們無法利用它們做任何事。

而汽油和空氣中含有用的低熵的能量,將它們混合在一起燃燒,就可以讓汽車跑起來。從啟動到行駛,再到停車,在這段路程中,總能量保持不變。

但是有用的化學能量轉化成了沒用且高熵的熱量和噪音。

所以能量還在,只是無法像之前那樣可供利用。在一個封閉系統裡,能量從低熵到高熵的轉變,是不可逆的,這就是熱力學裡的熵增定律。

當然整個地球對太陽能的利用率也相當低

除了主要以紅外線方式散發到太空的無用能量,全球的植物對太陽光的利用率大約只有1%到5%,而人類現在最高效的太陽能技術,在實驗室裡才能超過50%,工業化利用一般最高在40%左右,而一般的光伏電池能達到20%到25%就很不錯了。

不管怎麼說,地球上所有生物對太陽光的直接利用都太少。而太陽能一般被轉換為水勢能(水循環)、風能(大氣環流)等各種形式留存在地球上。

我們整個宇宙都被熵主宰,有一種命運叫「熱寂」。

宇宙最低熵的能量是氫,恆星就是消耗氫,產生了次一級的能量:熱輻射太陽能。

太陽給地球提供低熵易用的太陽能,其形式主要是可見光光子。

這些低熵的能量,在地球上通過各種各樣的轉換,被層層消耗,最後轉變為高熵值的形式輻射掉,也就是紅外線。

地球每接收到一個可見光光子,就會向太空輻射了約20個紅外光子。

也就是說,雖然地球吸收和釋放的能量平衡,但熵值升高了20倍。

事實上,目前太陽是我們有用能量的唯一來源,它是太陽系裡寒冷黑暗的星空中唯一發光發熱的恆星。

如果,一天整個星空是跟太陽一樣的溫度,我們的星球會接收到更多能量,但是地球會迅速平均化達到一個高熵的平衡狀態。

所有溫度和太陽一樣,這樣就不可能開車或生存,不是因為能量缺乏,而是因為所有能量平均後,就什麼事都做不了。

在平衡狀態下,所有能量都變成了沒用的高熵能量,永遠不會變化,也就永遠沒有運動,這就是宇宙毀滅的熱寂說。

萬物都化為了能量,然而卻是能量平衡狀態的的死寂。

當一切都變成高熵,時間的方向也會消失,時間變得沒有意義。

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