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熵是如何驅動整個地球的?


熵是如何驅動整個地球的?



地球每秒鐘從太陽那裡接收約90億億焦耳的能量,這個數值很大,是全人類每秒消耗總能量的成千上萬倍。然而,地球也以熱量形式向太空輻射等量的能量。不管怎樣,幾乎是一樣多。雖然地球正逐漸升溫,但這是另一回事。那麼,如果能量進出相等,我們又怎能利用能量來驅動世界呢?

事實證明,重點不是單純的能量,而是有用能。當它以低熵形式封裝時,能量是有用的(在熱力學中,熵是體系混亂程度的度量。混亂度越大,熵越高。從有序到無序是一個熵增的過程,它的逆過程是無法自發地發生。)。當然,在任何封閉系統中的總能量不會改變,能量是守恆的。


但是這些能量會處於不同的有用狀態。例如,在大壩後面的水中蘊含有用能。水會流動至兩側平衡,但永遠不會回到高處去。或者在一杯熱茶中,它能融化冰塊直至其達到介質的溫度。而不冷不熱的茶在加熱時,永遠也不會自發地產生冰塊,儘管總能量是一樣的。



熵是如何驅動整個地球的?


因此,有用能是處於低熵狀態。失去平衡的能量可用於做功,例如,轉動渦輪機、或推動活塞、或融化冰塊等。


同時,無用能不能用於做功。無用能以廢熱或噪音的形式存在,或者只是位於地上的一個小球的勢能:我們無法使用它做任何事情。例如,汽油和空氣攜帶有用的低熵能量。通過把它們混在一起燃燒,我們可以加速汽車,能開動一段時間,然後踩下剎車,停下來。在開車途中,世界的總能量保持不變,但有用的化學能被轉化為無用的高熵熱量和噪音。能量仍然存在,但我們無法將其回收來驅動汽車。如果能的話,那就沒有能源危機了。


對於地球亦是如此。太陽以有用的低熵形式向我們輸送能量,主要是可見光的光子。這種能量被地球上的各種過程吸收、使用和降解,直到我們以高得多的熵形式輻射出來:大量的紅外光子。對於我們接收到的每一個可見光子,地球會輻射大約二十個紅外光子進入太空。即使能量吸收和釋放之間存在平衡,但能量的熵卻增長了二十倍。



熵是如何驅動整個地球的?


事實上,太陽是唯一的有用能來源,因為在寒冷、黑暗的天空中,只有太陽是火熱、明亮的。如果整個天空都處於太陽的溫度,那我們的星球將會接收到更多的能量。但地球會迅速在高熵的狀態達到平衡,因為一切都是處於太陽的溫度。所以此時,諸如駕駛或生活等事情是不可能的——不是因為能量不足,而是因為當所有能量達到平衡時,什麼也做不了。


在平衡中,所有的能量同等無用、萬物不再變化,而時間之箭不再會有任何意義。

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