Ce face pământul și la ce contribuie omenirea? Răspunsuri din termodinamica lui
De la Axel Kleidon
2.1. Conceptul de entropie
Conceptul de entropie are o definiție precisă din fizica statistică. În lumea fizicii cuantice, energia apare în cantități discrete ca cuante. Aceste cuante energetice pot apărea sub formă de radiații (așa-numiții fotoni), pot fi asociate cu diferite stări de electroni din atomi și molecule, sau cu diferite moduri de mișcare sau vibrații ale moleculelor. Această viziune asupra energiei este descrisă și ca lumea microscopică. Deoarece energia apare în formă cuantificată, putem număra diferitele posibilități de distribuție ale unei anumite cantități de energie și, astfel, putem atribui probabilități. Entropia este apoi definită ca probabilitatea cu care energia este distribuită în lumea microscopică.
Cea mai probabilă distribuție este atunci o stare de entropie maximă.
2.2. Principalele legi ale termodinamicii
Cu această descriere a entropiei în cele trei forme diferite, putem trece acum la principiile principale ale termodinamicii. Îl privesc aici într-o formă simplificată, analizându-l într-o stare staționară în care schimbările în timp, integrate pe scări de timp suficient de lungi, se anulează reciproc. Acest lucru simplifică descrierea.
Procesele sistemului Pământ implică de obicei sisteme neizolate sau deschise care schimbă energie și/sau masă cu împrejurimile lor. Aceasta înseamnă că pentru formularea principalelor clauze trebuie să luăm în considerare fluxurile de schimb de entropie diferită în descriere.
Prima lege a termodinamicii poate fi apoi exprimată după cum urmează
(1)
(2)
Alimentarea și îndepărtarea entropiei sunt prezentate aici pentru fluxurile de căldură Jin și Jout, care adaugă sau elimină căldura la temperaturile Tin și Tout. Fluxurile de entropie sunt apoi date de expresia J/T. A doua lege cere ca producția de entropie din sistem să fie mai mare sau egală cu zero, adică σ ≥ 0, dar nu poate deveni negativă.
Aceste două principii principale ale termodinamicii, reprezentate în formă simplificată prin ecuațiile (1) și (2), se aplică tuturor formelor de energie, entropie și procese de pe pământ. Dinamica sistemului pământului este exprimată în cele din urmă prin faptul că procesele respectă a doua lege, reduc gradienții și generează entropie, care este apoi arătată în balanța de entropie ca σ> 0. Acest lucru este posibil într-o stare stabilă atunci când energia cu entropie scăzută este furnizată continuu sistemului (prin termenul Jin/Tin) și energia cu entropie ridicată este eliminată (prin termenul Jout/Tout). Entropia care poate fi apoi generată în sistem este apoi descrisă mai sus
(3)
unde am presupus staționaritatea fluxurilor de schimb Jin = Jout. În acest caz, avem de-a face cu un sistem care se află într-o stare de dezechilibru termodinamic.
Folosind ecuația (3), putem vedea, de asemenea, că un sistem fără fluxuri de schimb (Jin = Jout = 0) nu poate genera entropie într-o stare staționară. Apoi se află într-o stare de entropie maximă și echilibru termodinamic. Deci, fluxurile de schimb de entropie diferită sub formă de radiații, fluxurile de masă în diferite forme chimice sau căldură sunt cele care mențin o stare de neechilibru termodinamic.
Figura 2: Calea energiei din interiorul soarelui prin radiația solară, absorbția de către pământ și reemisia la temperaturi mai reci urmează a doua lege a termodinamicii către stări de entropie superioară.
Figura 3: Generarea de energie electrică într-o centrală electrică este un exemplu al modului în care energia electrică gratuită este generată din căldură. Procesele fizice ale sistemului terestru funcționează într-un mod similar și generează diferite forme de energie liberă în sistemul terestru.
(4)
Disiparea este setată la D = 0 deoarece energia liberă sub formă de electricitate este convertită doar înapoi în căldură în afara centralei electrice.
Limita superioară a cantității maxime de energie liberă care poate fi generată (adică unde G este maximă) este dată de a doua lege (Ecuația 2). Cazul ideal este cel în care nu se generează entropie în cadrul procesului de generare, adică σ = 0. Atunci se poate folosi ecuația 2 pentru a formula Jout în funcție de Jin, Tin și Tout:
(5)
Folosită în ecuația (4), aceasta are ca rezultat exprimarea limitei generale a puterii Carnot care poate fi generată la maxim:
(6)
Al doilea termen din partea dreaptă cu temperaturile este denumit de obicei eficiența lui Carnot.
Trebuie remarcat aici că, spre deosebire de manuale, derivarea descrisă aici nu necesită nicio ipoteză specifică despre procesul ciclului de bază. Eficiența lui Carnot și limita asociată de a genera energie liberă rezultă direct din combinația dintre prima și a doua lege a termodinamicii.
Această derivare generală a limitelor de conversie a energiei se aplică nu numai căldurii, ci și radiațiilor. Expresiile pentru fluxurile de entropie a radiațiilor sunt ușor diferite (a se vedea, de exemplu, Kabelac, 1994). Aplicarea primei și a doua legi radiațiilor duce la limite superioare teoretice și eficiențe maxime în utilizarea energiei solare, de ex. B. prin fotovoltaice. Deoarece radiația solară este asociată cu o temperatură de emisie foarte mare, fluxurile de entropie sunt foarte scăzute. Eficiența maximă a utilizării directe a energiei solare, adică fără trepte intermediare în care energia solară a fost transformată pentru prima dată în căldură, este foarte mare la 73-95%, cu eficiența maximă în funcție de tipul de radiație utilizat (direct sau difuz).
3. Ce face pământul?
În sistemul terestru, energia este generată în conformitate cu aceleași reguli de termodinamică (Figura 3). Sursa de energie pentru conversia energiei este aici radiația solară absorbită și exportul de entropie se realizează prin emisia de radiații terestre. Sistemul climatic, biosfera și tehnologia umană pot genera energie din radiația solară în diferite moduri, prin diferite procese și cu diferite grade maxime de eficiență. Dinamica rezultată în sistem convertește energiile generate în alte forme și acest lucru poate influența condițiile limită planetare, cum ar fi proprietățile radiației. Această structură ierarhică a conversiilor energetice și a consecințelor corespunzătoare se află în Figura 4 rezumat.
Figura 4: Radiația solară adaugă energie cu entropie scăzută pe pământ, care este transformată în alte forme prin diferite procese. Dinamica rezultată distribuie energia și schimbă radiația și proprietățile materiale ale planetei, ceea ce duce la interacțiuni între procesele din sistemul pământului și condițiile de limitare planetară. (Conform Kleidon 2010, 2012, 2016).
(7)
Aici, cei doi termeni din partea stângă a ecuației încălzesc suprafața, cu Rs ca radiație solară absorbită, în timp ce Rl, d descrie așa-numita contra-radiație atmosferică, adică radiația terestră care a fost emisă din atmosferă la suprafață. Cei doi termeni din partea dreaptă răcesc suprafața pământului prin emisie (cu Rl, u = σ Ts 4 descris de legea Stefan-Boltzmann) și prin fluxul de căldură convectivă J.
Din motive de simplitate, rezumăm cei doi termeni ai radiației terestre și îi liniazăm în ceea ce privește temperatura radiației Ta:
(A 8-a)
unde Rl, 0 este un termen constant (cu aproximativ Rl, 0 = 73 W m -2 pentru condițiile actuale), kr = 4 σ Ta 3 cu σ = 5,67 x 10 -8 W m -2 K -4 (Stefan- Constanta Boltzmann), iar Ta = 255K este temperatura radiației pământului.
Dacă îl combinați acum Ecuații (7) și (A 8-a), atunci puteți vedea scăderea temperaturii de suprafață cu creșterea fluxului de căldură J direct (vezi și Figura 5b):
(9)
Dacă utilizați această expresie și o inserați în limita Carnot (ecuația 6), veți obține o expresie pentru puterea care variază aproximativ cvadrat cu fluxul de căldură:
(10)
Această expresie are un maxim clar de performanță (Figura 5b, linie neagră), care este aproximativ la un debit optim de căldură de
(11)
Figura 5: Descrierea mișcării verticale a aerului (convecție) ca rezultat al unei „centrale electrice” (a., Deasupra), care derivă energia din diferența de încălzire dintre suprafață și atmosferă pentru a genera mișcarea aerului. Combinarea principalelor legi ale termodinamicii conduc la o limită fundamentală a cantității de energie liberă care poate fi generată. (b., la mijloc) Cu cât fluxul de căldură care curge în „centrala electrică atmosferică” este mai mare, cu atât suprafața este mai bine răcită (linia roșie), astfel încât să se dezvolte o putere maximă (linia neagră). Distribuția fluxurilor de energie la suprafață, estimată de la puterea maximă, corespunde foarte bine observațiilor (zone marcate cu albastru în b.; Și c., Mai jos).
Literatură:
Atkins, P și de Paula, J. (2010): Chimie fizică. Al 9-lea edn. Oxford University Pres, Oxford și New York.
BP (2018). BP Statistical Review of World Energy. Raportul tehnic. BP P.L.C., Londra, Marea Britanie.
Crutzen, P.J. (2002): Geologia omenirii. Natura 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. și Snyder, PK (2005): Consecințe globale ale utilizării terenurilor. Știință, 309, 570-574.
Haberl, H, Erb, KH, Krausmann, F, Gaube, V, Bondeau, A, Pluttzar, C, Gingrich, S, Lucht, W și Fischer-Kowalski, M. (2007): Cuantificarea și cartografierea însușirii umane a productivitatea primară netă în ecosistemele terestre ale Pământului. Proc. Natl. Acad. Știință. SUA 104, 12942-12947.
Kabelac, S. (1994): Termodinamica radiației. Vieweg, Braunschweig și Wiesbaden.
Kleidon, A. (2010): Viața, ierarhia și mașinile termodinamice ale planetei Pământ. Fizica vieții Recenzii 7, 424-460.
Kleidon, A. (2012a): Cum generează și menține sistemul Pământ dezechilibru termodinamic și ce implică pentru viitorul planetei? Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 370 (1962), 1012-1040. doi: 10.1098/rsta.2011.0316.
Kleidon, A. (2012b): Ce face pământul? Fizica în timpul nostru, 43 (3), 136-144. doi: 10.1002/piuz.201201294.
Kleidon, A., Renner, M. (2013): O explicație simplă pentru sensibilitatea ciclului hidrologic la temperatura de suprafață și radiații solare și implicațiile sale pentru schimbările climatice globale. Dinamica sistemelor terestre, 4, 455-465. doi: 10.5194/esd-4-455-2013.
Kleidon, A., Renner, M., Porada, P. (2014): Estimări ale energiei climatologice a suprafeței terestre și a echilibrului apei derivate din puterea convectivă maximă Hidrologie și Științe ale Sistemului Pământului, 18, 2201-2218. doi: 10.5194/hess-18-2201-2014.
Kleidon, A., Renner, M. (2017): O explicație pentru diferitele sensibilități climatice ale suprafețelor terestre și oceanice pe baza ciclului diurn. Dinamica sistemelor terestre, 8 (3), 849-864. doi: 10.5194/esd-8-849-2017.
Kleidon, A. (2016): Fundamente termodinamice ale sistemului Pământ. Cambridge University Press, Cambridge, Marea Britanie.
Lotka, A. J. (1922a): Contribuție la energia evoluției. Proc. Natl. Acad. Știință. SUA, 8, 147-151.
Lotka, A. J. (1922b): Selecția naturală ca principiu fizic. Proc. Natl. Acad. Știință. SUA, 8, 151-154.
Lotka, A. J. (1925): Elements of Physical Biology. Williams și Wilkins, Baltimore.
Odum, E. P. (1969): Strategia dezvoltării ecosistemelor. Știință, 164, 262-270.
Odum, H. T. și Pinkerton, R. C. (1955) Regulatorul de viteză al timpului: eficiența optimă pentru puterea maximă de ieșire în sistemele fizice și biologice. American Scientist 43, 331-343.
Ostwald, W. (1909): Fundamente energetice ale studiilor culturale. Klinkhardt, Leipzig.
Smil, V. (1999) Energies: An Illustrated Guide to the Biosphere and Civilization. MIT Press, Cambridge, MA, SUA.