地球一直吸收太阳能量,而能量是守恒的,为何还会出现能源稀缺?

路昭观看科技 2024-11-30 04:42:30

在人类科技的浩瀚星海中,能量并非皆可为我们所用,低熵能量才是真正的价值所在。

地球时刻沐浴于太阳的光辉中,究竟每秒钟获得多少能量?

太阳在一秒内辐射出的电磁能量为3.827×10的26次方瓦,这一数值有个专门的名字,叫做光度值。

太阳常数指的是每平方米的太阳能量为1367瓦。

若以地球表面积127,400,000 平方公里来计算,那么地球每秒钟便从太阳那里吸收约1.74×10^17焦耳的能量,这是个惊人的数字,远超人类所需的能量。

大气层会反射掉大约34%的太阳光线。

因此,实际到达地面的太阳能量大约为每秒1.15×10的17次方焦耳。

而1945年美国在二战末投放于广岛和长崎的原子弹,释放的能量约为5.5×10的13次方焦耳,换句话说,地球每秒钟从太阳那里获得的能量,等同于2091颗广岛原子弹的威力。

尽管如此,地球持续吸收这些能量后,会以红外线的形式向外辐射热量。

热量的散发与地球的温度成正比,温度越高,散发的热量越多。当地球的温度保持稳定时,吸收和散发的能量大致相等。

因此,关键不在于能量的总量,而在于其中有多少是有用、低熵的能量。

此处不妨提及:二氧化碳浓度增加时,原本会被地球辐射出的红外线会被反射回地面,使得热量不易散发,这便是我们所熟知的“温室效应”。

低熵能量具备价值,而熵增却是不可避免的。

在一个封闭系统中,能量的总量保持不变,但能量的实用价值却逐渐减少。

例如,大坝后的水是低熵的、有用的能量,它会流向低处,直到两端水位持平,而不会逆流而上。

再如,一杯热水含有有用的能量,它可以融化冰块,让水温达到适中。

但在能量总量不变的情况下,你绝不会看到一杯温水变成热水的同时,自动产生冰块。

因此,有用的能量必须是不平衡的,这是低熵能量的本质所在。

我们只能利用低熵的能量,而高熵的无用能量则无法被利用。

例如,车辆在马路上的噪音、物体放在地面上的势能、地球夜间向太空辐射的红外线,这些都是无用的高熵能量,我们不能利用它们来做任何事情。

汽油和空气中的氧气则含有低熵的能量,混合燃烧它们,汽车便可以行驶。在行驶过程中,总能量保持不变,但有用的化学能转化为无用的热量和噪音。

因此,能量并未消失,只是我们不能像之前那样利用它。在一个封闭系统中,从低熵到高熵的能量转变是不可逆的,这就是热力学中的熵增原理。

当然,地球对太阳能的利用效率也相当低。

除了以红外线形式散失的无用能量,全球的植物对太阳能的利用率大约为1%至5%,而人类目前最高效的太阳能技术,在实验室条件下也不过超过50%,工业化应用最高也仅在40%左右,而普通的光伏电池达到20%至25%就已算不错。

无论如何,地球上所有生物对太阳能的直接利用都微乎其微。太阳能通常转化为水势能(水循环)、风能(大气环流)等形式,保留在地球上。

我们的宇宙被熵所统治,存在着一个名为“热寂”的命运。

宇宙中最低熵的能量形式是氢,恒星消耗氢,产生次一级的能量——热辐射太阳能。

太阳为地球提供低熵的太阳能,其主要形式是可见光光子。

这些低熵能量在地球上经过各种转换,最终变为高熵值形式,以红外线的形式辐射出去。

地球每接收一个可见光光子,就会向太空辐射大约20个红外光子。

也就是说,尽管地球吸收和释放的能量保持平衡,但熵值却增加了20倍。

事实上,太阳是目前我们有用能量的唯一来源,在寒冷黑暗的星空中,它是唯一发光发热的天体。

如果整个星空有一天变得和太阳一样热,我们的星球将接收到更多的能量,但地球会迅速达到一个高熵的平衡状态。

当所有天体的温度与太阳相当,便无法开车或生存,问题不在于缺乏能量,而在于能量平均分配后,无法再进行任何活动。

在平衡状态下,所有能量都会变成无用的高熵能量,永远不再变化,也就不再有任何运动,这就是宇宙可能终结的热寂理论。

一切化为能量,但沉寂在能量平衡的死亡之中。

当所有事物都达到高熵状态,时间的方向也将消失,时间本身将失去意义。

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