对于我们人类目前的科技水平来说,并不是所有能量都能利用的,而且低熵才是能量的价值。
地球每秒到底接受太阳多少能量?
太阳每秒总电磁辐射为3.827×10^26瓦,这个值也有一个名称,叫做光度值。
太阳常数为1367瓦,即地球上每平方米大约1367瓦特[1353(±21) W/m2(1976年, NASA)],
按地球的截面积是127,400,000 平方公里来计算,可得出地球每秒从太阳接收约1.74×10^17焦耳能量,这个能量很大,是人类所需要能量的数千倍。
而大气层大约要反射34%的太阳光。
所以,到达地面的太阳能大约是每秒1.15×10^17焦耳。
而1945年美国在广岛和长崎丢下的原子弹释放能量大约为5.5×10^13焦,所以说地球每秒接收到太阳的能量相当于2091颗广岛原子弹。
虽然地球每秒要从太阳那吸收这么多的能量,但当地球温度升高后,地球还会以红外线的方式向外散热。
一般散发的热量与地球温度成正比,温度越高散发越多。当温度保持稳定时,基本上吸收的能量和散发的能量就相等了。
所以重要的不是能量的多少,而是有用能量的多少,处于低熵形式的能量才有用。
这里补一句:当大气中的二氧化碳增多后,一部分本来被地球散热出去的红外线,会又被反射回来,导致地球不容易散发热量,就这表现为我们常说的“温室效应”。
低熵的能量才有价值,而熵增却是不可逆的必然。
由于能量守恒,所以任何封闭系统内的能量总量是不变的,但是能量的有用价值是层层递减的。
比如,水坝后的水是一种有用能量,它会向下流动直到两边水位相同,而不会逆流向上。
再比如,一杯热水含有用能量,可以融化冰块使水达到一个中等的温度。
但你永远不会看到在能量总量不变的情况下,让一杯温水变成热水,再同时自行生成冰块。
所以,有用能量必须是不平衡的能量,这就是低熵能量的本质。
我们只能利用低熵的能量,而无用能量即高熵的能量无法被利用。
比如,马路上的行驶车辆的噪音、或放在地面上物体的势能、地球每天夜里向太空辐射的红外线,这些都是无用的高熵能量。我们无法利用它们做任何事。
而汽油和空气中含有用的低熵的能量,将它们混合在一起燃烧,就可以让汽车跑起来。从启动到行驶,再到停车,在这段路程中,总能量保持不变。
但是有用的化学能量转化成了没用且高熵的热量和噪音。
所以能量还在,只是无法像之前那样可供利用。在一个封闭系统里,能量从低熵到高熵的转变,是不可逆的,这就是热力学里的熵增定律。
当然整个地球对太阳能的利用率也相当低
除了主要以红外线方式散发到太空的无用能量,全球的植物对太阳光的利用率大约只有1%到5%,而人类现在最高效的太阳能技术,在实验室里才能超过50%,工业化利用一般最高在40%左右,而一般的光伏电池能达到20%到25%就很不错了。
不管怎么说,地球上所有生物对太阳光的直接利用都太少。而太阳能一般被转换为水势能(水循环)、风能(大气环流)等各种形式留存在地球上。
我们整个宇宙都被熵主宰,有一种命运叫“热寂”。
宇宙最低熵的能量是氢,恒星就是消耗氢,产生了次一级的能量:热辐射太阳能。
太阳给地球提供低熵易用的太阳能,其形式主要是可见光光子。
这些低熵的能量,在地球上通过各种各样的转换,被层层消耗,最后转变为高熵值的形式辐射掉,也就是红外线。
地球每接收到一个可见光光子,就会向太空辐射了约20个红外光子。
也就是说,虽然地球吸收和释放的能量平衡,但熵值升高了20倍。
事实上,目前太阳是我们有用能量的唯一来源,它是太阳系里寒冷黑暗的星空中唯一发光发热的恒星。
如果,一天整个星空是跟太阳一样的温度,我们的星球会接收到更多能量,但是地球会迅速平均化达到一个高熵的平衡状态。
所有温度和太阳一样,这样就不可能开车或生存,不是因为能量缺乏,而是因为所有能量平均后,就什么事都做不了。
在平衡状态下,所有能量都变成了没用的高熵能量,永远不会变化,也就永远没有运动,这就是宇宙毁灭的热寂说。
万物都化为了能量,然而却是能量平衡状态的的死寂。
当一切都变成高熵,时间的方向也会消失,时间变得没有意义。