Солнце дает нам низкую энтропию, а не энергию

Во- первых, некоторые предварительные сведения: мы всегда хотим иметь систему, которая может выполнять полезную работу, например, вращать водяное колесо, поднимать груз или генерировать электричество.

Загвоздка в том, что энергия сохраняется (о чем вы, вероятно, знали), а также в том, что энтропия параконсервируется (о чем вы, возможно, не знали). В частности, энтропия не может быть уничтожена, но она передается, когда один объект нагревает другой, а также создается всякий раз, когда происходит какой-либо процесс, где угодно.

Проблема с производством работы возникает из-за того, что работа не передает энтропию, а передает тепло (при этом также создавая некоторую энтропию). Следовательно, мы не можем просто превратить тепловую энергию (например, энергию Солнца) в работу; мы должны куда-то сбрасывать и сопутствующую энтропию. Вот почему любой тепловой машине требуется не только источник тепловой энергии (так называемый горячий резервуар), но и поглотитель энтропии (так называемый холодный резервуар).

В идеализированном процессе, когда мы вытягиваем энергию$E$из горячего резервуара при температуре$T_\mathrm{hot}$, неизбежная передача энтропии есть

Теперь мы извлекаем некоторую полезную работу$W$(например, кипячением воды и запуском паровой турбины), и всю эту энтропию мы сбрасываем в низкотемпературный резервуар при температуре$T_\mathrm{cold}$(например, используя близлежащую прохладную реку для конденсации пара):

Энергетический баланс получается:

Теперь к делу: Солнце посылает нам много энергии: около 1000 Вт/м² на поверхности земли. Но так ли это на самом деле? Теплоемкость почвы составляет около 1000 Дж/кг-°C, поэтому, если бы мы просто извлекали 1°C из килограмма почвы в секунду, мы бы сравнялись с Солнцем по энергии на квадратный метр. И почвы много, и ее абсолютная температура довольно высока (около 283 градусов выше абсолютного нуля в градусах Цельсия).

А теплоемкость воды в четыре раза выше! Более того, вода самоциркулирует, поэтому в этом сценарии мы могли бы охладить морскую воду и позволить ей циркулировать. Мы могли бы управлять лодкой для вечеринок: извлекать тепловую энергию из воды, чтобы делать лед для наших коктейлей, и использовать извлеченную энергию, чтобы путешествовать весь день.

К сожалению, ограничения, описанные выше, говорят нам о том, что мы не можем выполнить это извлечение: нет резервуара с более низкой температурой, куда можно было бы направить энтропию (здесь я предполагаю, что большая часть доступной нам земли и атмосферы имеет температуру около 10°). С). Напротив, температура Солнца огромна — около 5500 ° C, что делает знаменатель члена эффективной энтропии$S=E/T$относительно маленький. Таким образом, особенно полезна не энергия солнечного света, а его низкая энтропия.

Концептуальный ответ в двух частях:

Во-первых, обратите внимание, что энергия Земли практически постоянна . Земля постоянно отдает энергию космосу, и Солнце восполняет эту потерю. (Да, есть небольшие плюсы и минусы, но это в принципе правильно) Мощность Солнца, конечно, не является быстрым увеличением общей энергии Земли.

Так почему же сила Солнца кажется такой жизненно важной? Что ж, это компенсирует потерянную мощность. Окружение Земли гигантским космическим комфортным одеялом также уменьшит эти потери, но почему-то это кажется менее значительным, чем концентрированная энергия Солнца.

Вот где появляется энтропия: энергия Солнца сконцентрирована и имеет высокую температуру, следовательно, низкую энтропию (что хорошо), в отличие от рассеянного и низкотемпературного высокоэнтропийного (менее хорошего) планетарного тепла.

С этой точки зрения, просто восполняя потерянную энергию, Солнце обеспечивает дозу порядка (низкая энтропия), которая позволяет жизни делать свое дело, потребляя ее и выделяя энергию в виде беспорядочного низкопотенциального тепла.

Энтропия системы Земля+Солнце ниже, чем системы с Землей, окруженной диффузной энергией, эквивалентной энергии Солнца. Технически обе системы имеют одинаковую энергию, но у первой гораздо больше полезной энергии.

Очевидно, предложение должно быть таким: «Солнце дает нам низкую энтропию, а не только энергию». Солнечное излучение создает поток энергии через Землю, которую может использовать жизнь. Поток энергии обычно используется для создания очагов порядка в окружающем хаосе, т. е. для поддержания локальных областей с низкой энтропией, таких как наши тела, чему способствует постоянный поток энергии через них. ¹ Энергия, исходящая от солнца, для этого, очевидно, необходима, но недостаточна, как показывает следующий мысленный эксперимент:

Если бы Земля была окружена оболочкой со средней радиационной температурой Вселенной, как это видно с Земли — рассеянное тепло, высокая энтропия — мы получили бы такую ​​же энергию излучения, как и сейчас от Солнца (плюс Луна и звезды, и фоновое излучение), но это было бы бесполезно.

Энергетический баланс также был бы таким же, как сейчас: мы бы излучали все, что получаем, плюс некоторую остаточную радиоактивность. Но было бы близкое равновесие. Единственный пригодный для использования поток энергии — единственный источник энергии с низкой энтропией — исходил бы от ядерного распада под землей. Только это можно было использовать для локального понижения энтропии в некоторых местах на поверхности. Радиация, поражающая нас, была бы совершенно бесполезна.

Я полагаю, именно это имел в виду Мейснер.

_{¹ Через пищу, которая после нескольких непрямых действий просто накапливает солнечную энергию.}

Солнце не является «источником низкой энтропии». Эта фраза не имеет смысла даже физически. Подумайте об аналогах «источник низкого давления» или «источник холода». Такое мышление, вероятно, исходит из выдвинутой Эрвином Шредингером идеи о том, что животные должны есть продукты с низкой энтропией. Не зная сложной химии, я не могу сказать, насколько удельная энтропия (энтропия на единицу массы) экскрементов животных значительно отличается от их пищи. Что я могу сказать, так это то, что избыточная энтропия сбрасывается в окружающую среду за счет комбинации первичного теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) и газообмена (пот, углекислый газ и вода).

Обратите внимание на процесс: энергия + энтропия на входе -> энергия + больше энтропии на выходе. Что еще более важно, поскольку животное имеет независимый доступ к низкотемпературной ванне, экскременты не должны иметь особенно более низкую энтропию, чем пища.

Это тот же основной процесс, которому подвергается Земля. Солнце действует как источник высокой энтропии и энергии. На самом деле, единственное, что имеет особенно низкую энтропию в солнечном свете, — это его направление движения, но это верно только здесь, в 150 миллионах километров от Солнца. На поверхности Солнца энтропия света выше.

Как меняется энтропия между этим местом и солнцем? Ответ такой же, как и истинный ответ на загадку, откуда мы «берем нашу низкую энтропию»: холодный космический вакуум. По мере того, как свет движется от Солнца, направление движения становится все более и более определенным, снижая энтропию любого конкретного фотона. Однако это возможно только из-за некоторых имплицитных особенностей описания: существует холодный вакуум, в который может распространяться фотон из определенного локального источника.

Обратите внимание, что любой другой аспект солнечного света, то есть частотный разброс и поляризация, остается источником высокой энтропии. То, что мы сбрасываем больше энтропии, чем получаем, в первую очередь зависит от увеличения количества фотонов, необходимого для достижения энергетического баланса.