与想象的相反，地球并未面临任何能源危机

Daphane · 发表于 2022-4-25 23:38:46

來源:品閱巴士

地球从阳光中获取了多少能量呢？答案是：零。惊不惊喜意不意外？地球将自己捕获的所有太阳能都辐射回外太空了。如若事实并非如此，那地球就会越变越热，直到整个地表都变成一片熔浆的海洋。

那么，如果不是太阳能哺育地球上的一切生灵，又支撑起全球科技文明，那又是什么呢？答案是：可利用太阳能。两者之间差之毫厘谬以千里。事实上，地球是如何利用太阳的能量，然后又将太阳能量反射回去，其中原理涉及物理学上的重要科目：热力学。

首先我们要了解光的微粒，也就是光子，当它来源于太阳时，它的温度和太阳表层温度一样约为5500℃。然而当光子被地球再次辐射回太空的时候，光子的温度就降低到平均地球表层温度20℃了。这可比光子刚从太阳来的时候冷多了。
利用开氏温标可以直接有效地比较不同光子的能量。在开氏温标中，0开尔文表示可能达到的最低温度，也就是零下273℃。那么太阳光子相应的温度就是5800开尔文，而地球则是300开尔文。这也就是说地球反射的光子是太阳光子能量的300/5800，四舍五入就是二十分之一。我先前说过，地球并未从太阳那获得任何净能。这就意味着，地球每接收一个太阳辐射的高能光子，就会辐射出20个低能光子。

大家都知道，追踪一个目标总要比追踪好几个目标要简单得多。同样的道理，单个光子也比20个光子要简单有序很多。有序的能源比无序的能源更能干活，用物理行话说就是“做功”。换句话说，来自太阳辐射一个光子比地球辐射的20个光子更加能做功。
到这里我不得不岔开一下话题，来聊一聊蒸汽机。说真的，蒸汽机可不仅仅只是撑起19世纪工业革命的中流砥柱，蒸汽机原理更具有普遍意义上的重要性。“人类所有活动，不管是消化食物还是艺术创作，归根到底都遵从蒸汽机原理。”化学家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）如是说。他这么说的原因在于，蒸汽机原理从根本上完美地解释了能量是如何做功的，以至于热力学这门学科都是通过研究蒸汽机而诞生的。在蒸汽机里，高温蒸汽对大气压做功，从而推动活塞。做工完毕后，蒸汽就会冷却成为低温的液体。简而言之，高能量的物质（在这就是高温蒸汽）做功，而后变为低能量的物质（低温液体）。

其实宇宙中所有活动过程都可以归纳为蒸汽机原理。高温的热能做功也就是推动活塞，做完功就变凉了。
温度是物体分子运动平均动能的标志。蒸汽分子（水分子）疯狂地飞来飞去，像一群疯狂的马蜂一样向四处分散，这也是为什么蒸汽的温度这么高的原因。在推动活塞向前的过程中，水分子的一部分随机运动将转变为活塞的整体运动。这就会导致水蒸气温度下降，进而液化成水。
如果你认为水蒸气的热能可以完全用于做功，那你就错了。因为只有小部分的水蒸气分子会向活塞运动的方向运动，只有这样运动的分子才能推动活塞向前。这就导致基本的物理现象：能量不能完全转换为有用功。
能用于做功的能量叫作有效能。而有趣的是，在总能量相等的情况下，高温体系的有效能多于低温体系的有效能。因为低温时，能量源已经疲惫不堪，丧失了做事情的力气。这个道理同样适用于蒸汽机里冷却成液体的水以及由地球辐射出去的光子。概括来讲，就是地球接收来太阳辐射的有效能高的光子，它们在地球上到处忙活，有的参与到各种生物代谢中，有的投身科技事业。每个光子就像一个小小的蒸汽机将有效能使用殆尽，然后变得毫无用处，最终被辐射回太空。
你应该听过熵这个术语。它是用于测量体系内的（比如说一定量水蒸气）混乱程度。你也可以这么想，高温条件下热能就像是一家喧闹的餐馆，而增加能量就像站在门口，叫喊着要点餐。这么做，并不会明显地让餐馆变得更为吵闹。而低温条件下的热能就像是个安静的图书馆，增加相同的能量，也就像站在图书馆门口朝着自习的人大喊。同样的声音在安静的图书馆里，显得格外突兀。所以，当在低温体系中加入等量的能量时，所带来的熵变更多。

地球将接收到的全部太阳能都辐射回了太空。
每当蒸汽机中的热能做功时（或是在地球上进行着不可计数的光子反应），结果都是温度下降、热能减少，变得更加无序，也就是熵值增加。无序态的热能可没有能力去做有用的事情。这便是有效能的秘密（高熵值的能量有效能低，反之亦然）。
那么，回到先前的问题。我们再来聊聊太阳能和能做功的太阳能之间的区别：其实地球并没有使用任何来自太阳的能量，但太阳能却在地球上做了功——就像蒸汽机里做功的能量。每当能量一做功，该能量做功的能力就降低了。而实质上，太阳能也是这样，光子劳作到有效能耗尽之后，才被辐射回了外太空。
本文节选自《奇怪的知识增加了》（[英]马库斯·乔恩）

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