Die Sonne gibt uns eine niedrige Entropie, keine Energie

Zunächst einige Vorbemerkungen: Wir wünschen uns immer ein System, das nützliche Arbeit leisten kann, zB ein Wasserrad antreiben, ein Gewicht heben oder Strom erzeugen.

Die Haken sind, dass Energie konserviert wird (was Sie wahrscheinlich wussten) und dass Entropie parakonserviert ist (was Sie vielleicht nicht gewusst haben). Insbesondere kann Entropie nicht zerstört werden, aber sie wird übertragen, wenn ein Objekt ein anderes erhitzt, und sie wird auch immer dann erzeugt, wenn irgendwo irgendein Prozess stattfindet.

Das Problem bei der Erzeugung von Arbeit entsteht, weil Arbeit keine Entropie überträgt, wohl aber Wärmeübertragung (wobei auch etwas Entropie erzeugt wird). Daher können wir thermische Energie (wie die Energie, die die Sonne liefert) nicht einfach in Arbeit umwandeln; wir müssen auch die begleitende Entropie irgendwo abladen. Aus diesem Grund benötigt jede Wärmekraftmaschine nicht nur eine Quelle für thermische Energie (das sogenannte heiße Reservoir), sondern auch eine Senke für Entropie (das sogenannte kalte Reservoir).

Im idealisierten Prozess, wenn wir Energie ziehen$E$aus dem heißen Reservoir auf Temperatur$T_\mathrm{hot}$, der unvermeidliche Entropietransfer ist

Jetzt extrahieren wir einige nützliche Arbeiten$W$(z. B. durch Kochen von Wasser und Betreiben einer Dampfturbine), und wir geben die gesamte Entropie bei Temperatur in das Niedertemperaturreservoir ab$T_\mathrm{cold}$(zum Beispiel unter Verwendung eines nahe gelegenen kühlen Flusses, um den Dampf zu kondensieren):

Die Energiebilanz geht auf:

Nun zur Sache: Die Sonne schickt viel Energie zu uns: rund 1000 W/m² an der Erdoberfläche. Aber ist das wirklich so viel Energie? Die Wärmekapazität des Bodens beträgt etwa 1000 J/kg-°C. Wenn wir also einfach 1°C pro Sekunde aus einem Kilogramm Boden extrahieren würden, würden wir die Energie der Sonne pro Quadratmeter erreichen. Und es ist viel Boden verfügbar, und seine absolute Temperatur ist ziemlich hoch (etwa 283 über dem absoluten Nullpunkt in °C).

Und die Wärmekapazität von Wasser ist viermal so hoch! Noch besser, Wasser zirkuliert selbst, also könnten wir in diesem Szenario Meerwasser kühlen und es zirkulieren lassen. Wir könnten ein Partyboot betreiben: dem Wasser thermische Energie entziehen, um Eis für unsere Cocktails herzustellen, und die extrahierte Energie nutzen, um den ganzen Tag herumzufahren.

Leider sagen uns die oben beschriebenen Einschränkungen, dass wir diese Extraktion nicht durchführen können: Es gibt kein Reservoir mit niedrigerer Temperatur, an das die Entropie gesendet werden kann (hier gehe ich davon aus, dass der größte Teil der uns zur Verfügung stehenden Erde und Atmosphäre bei etwa 10 ° liegt C). Im Gegensatz dazu ist die Temperatur der Sonne enorm – etwa 5500 °C, was den Nenner des effektiven Entropieterms ausmacht$S=E/T$relativ klein. Daher ist es nicht die Energie des Sonnenlichts, die besonders nützlich ist, sondern seine geringe Entropie.

Eine konzeptionelle Antwort in zwei Teilen:

Beachten Sie zunächst, dass die Energie der Erde im Wesentlichen konstant ist . Die Erde verliert kontinuierlich Energie an den Weltraum, und die Sonne gleicht diesen Verlust aus. (Ja, es gibt kleine Plus- und Minuspunkte, aber das ist im Grunde richtig) Die Kraft der Sonne erhöht die Gesamtenergie der Erde sicherlich nicht schnell.

Warum also scheint die Kraft der Sonne so lebenswichtig zu sein? Nun, es gleicht die verlorene Kraft aus. Die Erde mit einer riesigen Weltraum-Komfortdecke zu umgeben, würde diese Verluste ebenfalls verringern, aber irgendwie scheint das weniger groß zu sein als die konzentrierte Kraft der Sonne.

Hier kommt also die Entropie ins Spiel: Die Energie der Sonne ist konzentriert und bei hoher Temperatur, daher niedrige Entropie (was gut ist), im Gegensatz zu diffuser und niedriger Temperatur, hoher Entropie (weniger gut) Planetenwärme.

So gesehen, stellt die Sonne, während sie nur verlorene Energie ausgleicht, eine Dosis Ordnung (niedrige Entropie) bereit, die es dem Leben ermöglicht, seine Sache zu tun, indem es diese verbraucht und die Energie als ungeordnete Wärme niedriger Qualität abgibt.

Die Entropie des Systems Erde + Sonne ist geringer als bei einem System, bei dem die Erde von diffuser Energie umgeben ist, die der der Sonne entspricht. Technisch gesehen haben beide Systeme die gleiche Energie, aber ersteres hat viel mehr nutzbare Energie.

Offensichtlich sollte der Satz lauten "Die Sonne gibt uns eine niedrige Entropie, nicht nur Energie". Die Strahlung der Sonne erzeugt einen Energiefluss durch die Erde, den das Leben nutzen kann. Der Energiefluss wird im Allgemeinen verwendet, um Ordnungsnester im umgebenden Chaos aufzubauen, dh um lokale Bereiche mit niedriger Entropie wie unseren Körper aufrechtzuerhalten, was durch einen konstanten Energiefluss durch ihn erleichtert wird. ¹ Die von der Sonne kommende Energie ist dafür offensichtlich erforderlich, aber nicht ausreichend, wie folgendes Gedankenexperiment zeigt:

Wenn die Erde von einer Hülle mit der durchschnittlichen Strahlungstemperatur des Universums umgeben wäre, wie sie von der Erde aus gesehen wird – verteilte Wärme, hohe Entropie –, würden wir die gleiche Energie durch Strahlung erhalten wie jetzt von der Sonne (plus Mond und Sterne, und Hintergrundstrahlung), aber es wäre nutzlos.

Die Energiebilanz wäre auch die gleiche wie jetzt: Wir würden alles abstrahlen , was wir bekommen, plus etwas Restradioaktivität. Aber es würde nahezu ein Gleichgewicht herrschen. Der einzige nutzbare Energiefluss – die einzige Energiequelle mit niedriger Entropie – würde aus dem nuklearen Zerfall im Untergrund stammen. Nur damit ließe sich die Entropie an einigen Stellen der Oberfläche lokal senken. Die uns treffende Strahlung wäre völlig nutzlos.

Ich nehme an, das meinte Meissner.

_{^1. Durch Nahrung, die nach wenigen Umwegen gerade gespeicherte Sonnenenergie ist.}

Die Sonne ist keine "Quelle niedriger Entropie". Der Satz ergibt physikalisch keinen Sinn. Denken Sie an die Analoga „Quelle niedrigen Drucks“ oder „Kältequelle“. Dieses Denken stammt wahrscheinlich von der Idee von Erwin Schrödinger , dass Tiere niedrige Entropie fressen müssen. Da ich die komplexe Chemie nicht kenne, kann ich nicht sagen, wie sehr sich die spezifische Entropie (Entropie pro Masseneinheit) tierischer Exkremente signifikant von ihrer Nahrung unterscheidet. Was ich sagen kann, ist, dass die überschüssige Entropie durch eine Kombination aus Rohwärmeübertragung (Leitung, Konvektion und Strahlung) und Gasaustausch (Schweiß, Kohlendioxid und Wasser) an die Umgebung abgegeben wird.

Beachten Sie den Prozess: Energie + Entropie rein -> Energie + mehr Entropie raus. Da das Tier unabhängigen Zugang zu einem Niedrigtemperaturbad hat, müssen die Exkremente, was noch wichtiger ist, keine besonders niedrigere Entropie aufweisen als das Futter.

Dies ist der gleiche grundlegende Prozess, den die Erde durchmacht. Die Sonne wirkt als Quelle hoher Entropie und Energie. Tatsächlich ist das Einzige, was am Sonnenlicht eine besonders niedrige Entropie hat, seine Bewegungsrichtung, aber das gilt nur hier, 150 Millionen km von der Sonne entfernt. An der Sonnenoberfläche ist die Entropie des Lichts höher.

Wie ändert sich die Entropie zwischen hier und der Sonne? Die Antwort ist die gleiche wie die wahre Antwort auf das Rätsel, woher wir „unsere niedrige Entropie bekommen“: das kalte Vakuum des Weltraums. Wenn das Licht von der Sonne nach außen wandert, wird die Bewegungsrichtung immer sicherer, wodurch die Entropie eines bestimmten Photons sinkt. Möglich ist dies jedoch nur aufgrund einiger impliziter Merkmale in der Beschreibung: Es gibt ein kaltes Vakuum, in das sich das Photon von einer bestimmten lokalen Quelle aus ausbreiten kann.

Beachten Sie, dass jeder andere Aspekt des Lichts von der Sonne, dh Frequenzstreuung und Polarisation, eine Quelle hoher Entropie bleibt. Wo wir mehr Entropie abgeben als wir erhalten, ist in erster Linie eine Funktion der Zunahme der Anzahl der Photonen, die zum Erreichen des Energiegleichgewichts benötigt werden.