Какво прави земята и какво допринася човечеството? Отговори от термодинамиката на
От Аксел Клейдон
2.1. Понятието за ентропия
Понятието ентропия има точно определение от статистическата физика. В света на квантовата физика енергията се появява в дискретни количества като кванти. Тези енергийни кванти могат да се появят под формата на радиация (така наречените фотони), те могат да бъдат свързани с различни състояния на електроните в атомите и молекулите, или с различни начини на движение или вибрация на молекулите. Този възглед за енергията е описан и като микроскопичен свят. Тъй като енергията се среща в квантована форма, можем да преброим различните възможности за разпределение на определено количество енергия и по този начин да присвоим вероятности. Тогава ентропията се определя като вероятността, с която енергията се разпределя в микроскопичния свят.
Тогава най-вероятното разпределение е състояние на максимална ентропия.
2.2. Основните закони на термодинамиката
С това описание на ентропията в трите й различни форми, сега можем да се обърнем към основните принципи на термодинамиката. Разглеждам ги тук в опростена форма, като ги гледам в неподвижно състояние, в което промените във времето, интегрирани в достатъчно дълги времеви мащаби, се отменят взаимно. Това опростява описанието.
Процесите на земната система обикновено включват неизолирани или отворени системи, които обменят енергия и/или маса със заобикалящата ги среда. Това означава, че за формулирането на основните клаузи трябва да разгледаме обменните потоци с различна ентропия в описанието.
Тогава първият закон на термодинамиката може да бъде изразен по следния начин
(1)
(2)
Подаването и отстраняването на ентропията е показано тук за топлинните потоци Jin и Jout, които добавят или премахват топлината при температури Tin и Tout. Тогава ентропийните потоци се дават от израза J/T. Тогава вторият закон изисква производството на ентропия в системата да е по-голямо или равно на нула, т.е. σ ≥ 0, но не може да стане отрицателно.
Тези два основни принципа на термодинамиката, представени в опростена форма от уравнения (1) и (2), се прилагат за всички форми на енергия и ентропия и процеси на земята. Динамиката на земната система в крайна сметка се изразява от факта, че процесите следват втория закон, намаляват градиентите и генерират ентропия, която след това се показва в баланса на ентропията като σ> 0. Това е възможно в стабилно състояние, когато в системата непрекъснато се подава енергия с ниска ентропия (чрез термина Jin/Tin) и енергия с висока ентропия се отстранява (чрез термина Jout/Tout). Тогава е описана по-горе ентропията, която след това може да бъде генерирана в системата
(3)
където съм приел стационарността на обменните потоци Jin = Jout. В този случай имаме работа със система, която е в състояние на термодинамично неравновесие.
Също така можем да видим от уравнение (3), че система без обменни потоци (Jin = Jout = 0) не може да генерира ентропия в стационарно състояние. Тогава е в състояние на максимална ентропия и термодинамично равновесие. Така че именно обменните потоци на различна ентропия под формата на радиация, масови потоци в различни химически форми или топлина поддържат състояние на термодинамично неравновесие.
Фигура 2: Пътят на енергията от вътрешността на слънцето чрез слънчева радиация, поглъщане от земята и повторно излъчване при по-ниски температури следва втория закон на термодинамиката към състояния на по-висока ентропия.
Фигура 3: Производството на електроенергия в електроцентрала е пример за това как свободната електрическа енергия се генерира от топлина. Физическите процеси на земната система работят по подобен начин и генерират различни форми на свободна енергия в земната система.
(4)
Разсейването е настроено на D = 0, тъй като свободната енергия под формата на електричество се превръща само обратно в топлина извън електроцентралата.
Горната граница на максималното количество свободна енергия, която може да се генерира (т.е. където G е максимум) е дадена от втория закон (Уравнение 2). Идеалният случай е този, при който в процеса на генериране не се генерира ентропия, т.е. σ = 0. Тогава може да се използва уравнение 2, за да се формулира Jout като функция от Jin, Tin и Tout:
(5)
Използвано в уравнение (4), това води до изразяване на общата граница на Карно на мощността, която може да бъде генерирана максимално:
(6)
Вторият термин от дясната страна с температурите обикновено се нарича ефективност на Карно.
Тук трябва да се отбележи, че за разлика от учебниците, деривацията, описана тук, не изисква никакви конкретни предположения за основния процес на цикъла. Ефективността на Карно и свързаната с нея граница на генериране на свободна енергия произтичат директно от комбинацията от първия и втория закон на термодинамиката.
Това общо извеждане на граници на преобразуване на енергия е приложимо не само за топлина, но и за радиация. Изразите за потоци от радиационна ентропия са малко по-различни (виж, например, Kabelac, 1994). Прилагането на първия и втория закон към радиацията води до теоретични горни граници и максимална ефективност при използването на слънчевата енергия, напр. Б. чрез фотоволтаици. Тъй като слънчевата радиация е свързана с много висока температура на излъчване, ентропийните потоци са много ниски. Максималната ефективност на директното използване на слънчевата енергия, т.е.без междинни стъпки, при които слънчевата енергия за първи път се превръща в топлина, е много висока при 73-95%, като максималната ефективност зависи от вида на използваното лъчение (директно или дифузно).
3. Какво прави земята?
В земната система енергията се генерира съгласно същите правила на термодинамиката (Фигура 3). Източникът на енергия за преобразуване на енергия тук е абсорбираната слънчева радиация, а износът на ентропията се осъществява чрез излъчването на земна радиация. Климатичната система, биосферата и човешката технология могат да генерират енергия от слънчева радиация по различни начини, чрез различни процеси и с различна максимална степен на ефективност. Получената динамика в системата преобразува генерираните енергии в други форми и това може след това да повлияе на планетарните гранични условия, като радиационни свойства. Тази йерархична структура на енергийните преобразувания и съответните последици е в Фигура 4 обобщено.
Фигура 4: Слънчевата радиация добавя към земята енергия с ниска ентропия, която се преобразува в други форми чрез различни процеси. Получената динамика разпределя енергията и променя радиационните и материалните свойства на планетата, което води до взаимодействия между процесите в земната система и планетарните гранични условия. (Според Kleidon 2010, 2012, 2016).
(7)
Тук двата термина в лявата част на уравнението затоплят повърхността, като Rs е абсорбираната слънчева радиация, докато Rl, d описва така нареченото атмосферно контраизлъчване, т.е. земното лъчение, излъчено от атмосферата на повърхността. Двата термина в дясната страна охлаждат земната повърхност чрез излъчване (с Rl, u = σ Ts 4, описано от закона на Стефан-Болцман) и чрез конвективния топлинен поток J.
За по-голяма простота обобщаваме двата термина земна радиация и ги линеаризираме по отношение на температурата на радиация Ta:
(8-ми)
където Rl, 0 е постоянен член (с около Rl, 0 = 73 W m -2 за днешните условия), kr = 4 σ Ta 3 с σ = 5.67 x 10 -8 W m -2 K -4 (Стефан- Константа на Болцман), а Ta = 255K е температурата на излъчване на земята.
Ако го комбинирате сега Уравнения (7) и (8-ми), тогава можете да видите намалението на повърхностната температура с нарастващ топлинен поток J директно (вижте също Фигура 5b):
(9)
Ако използвате този израз и го вмъкнете в границата на Карно (уравнение 6), ще получите израз за мощността, която варира приблизително квадратично в зависимост от топлинния поток:
(10)
Този израз има ясен максимум в ефективността (Фигура 5б, черна линия), което е приблизително при оптимален топлинен поток от
(11)
Фигура 5: Описание на вертикалното движение на въздуха (конвекция) в резултат на „електроцентрала“ (а. Горе), която черпи енергия от разликата в температурата между повърхността и атмосферата, за да генерира движение на въздуха. Комбинацията от основните закони на термодинамиката води до фундаментална граница на това колко свободна енергия може да се генерира. (б., в средата) Колкото по-голям е топлинният поток, който се влива в „атмосферната електроцентрала“, толкова по-добре се охлажда повърхността (червена линия), така че да се развие максимална мощност (черна линия). Разпределението на енергийните потоци на повърхността, изчислено от максималната мощност, съвпада доста добре с наблюденията (области със сини маркировки в b. И c., Долу).
Литература:
Atkins, P и de Paula, J. (2010): Физическа химия. 9-то изд. Oxford University Pres, Оксфорд и Ню Йорк.
BP (2018). BP Статистически преглед на световната енергетика. Технически доклад. BP P.L.C., Лондон, Великобритания.
Crutzen, P.J. (2002): Геология на човечеството. Природа 415, 23.
Foley, JA, DeFries, R., Asner, GP, Barford, C., Bonan, G., Carpenter, SR, Chapin, FS, Coe, MT, Daily, GC, Gibbs, HK, Helkowski, JH, Holloway, T ., Howard, EA, Kucharik, CJ, Monfreda, C., Patz, JA, Prentice, IC, Ramankutty, N., и Snyder, PK (2005): Глобални последици от използването на земята. Science, 309, 570-574.
Haberl, H, Erb, KH, Krausmann, F, Gaube, V, Bondeau, A, Pluttzar, C, Gingrich, S, Lucht, W и Fischer-Kowalski, M. (2007): Количествено определяне и картографиране на човешкото присвояване на нетна първична производителност в земните екосистеми на земята. Proc. Natl. Акад. Sci. САЩ 104, 12942-12947.
Kabelac, S. (1994): Термодинамика на радиацията. Вивег, Брауншвайг и Висбаден.
Kleidon, A. (2010): Живот, йерархия и термодинамични механизми на планетата Земя. Отзиви за физиката на живота 7, 424-460.
Kleidon, A. (2012a): Как земната система генерира и поддържа термодинамично неравновесие и какво означава това за бъдещето на планетата? Философски сделки на Лондонското кралско общество, 370 (1962), 1012-1040. doi: 10.1098/rsta.2011.0316.
Kleidon, A. (2012b): Какво прави земята? Физика в наше време, 43 (3), 136-144. doi: 10.1002/piuz.201201294.
Kleidon, A., Renner, M. (2013): Просто обяснение за чувствителността на хидрологичния цикъл към повърхностната температура и слънчевата радиация и нейните последици за глобалните климатични промени. Динамика на земната система, 4, 455-465. doi: 10.5194/esd-4-455-2013.
Kleidon, A., Renner, M., Porada, P. (2014): Оценки на климатологичната повърхностна енергия на земята и воден баланс, получени от максимална конвективна мощност. Хидрология и науки за земната система, 18, 2201-2218. doi: 10.5194/hess-18-2201-2014.
Kleidon, A., Renner, M. (2017): Обяснение за различната чувствителност на климата на повърхностите на сушата и океана въз основа на дневния цикъл. Динамика на земната система, 8 (3), 849-864. doi: 10.5194/esd-8-849-2017.
Kleidon, A. (2016): Термодинамични основи на земната система. Cambridge University Press, Cambridge, UK.
Lotka, A. J. (1922a): Принос към енергетиката на еволюцията. Proc. Natl. Акад. Sci. САЩ, 8, 147-151.
Lotka, A. J. (1922b): Естественият подбор като физически принцип. Proc. Natl. Акад. Sci. САЩ, 8, 151-154.
Lotka, A. J. (1925): Елементи на физическата биология. Уилямс и Уилкинс, Балтимор.
Odum, E. P. (1969): Стратегията за развитие на екосистемата. Science, 164, 262-270.
Odum, H. T., и Pinkerton, R. C. (1955) Регулатор на скоростта на времето: оптималната ефективност за максимална изходна мощност във физически и биологични системи. Американски учен 43, 331-343.
Оствалд, У. (1909): Енергийни основи на културологията. Клинкхард, Лайпциг.
Smil, V. (1999) Енергии: Илюстрирано ръководство за биосферата и цивилизацията. MIT Press, Кеймбридж, Масачузетс, САЩ.