 只有熵来得毫不费力。 ——安东·契诃夫（Anton Chekhov） 地球从阳光中获取了多少能量呢？答案是：无。是不是很神奇呀？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。 エントロピーだけが楽なのです —アントン・チェーホフです 地球は太陽からどのくらいのエネルギーを得ているのでしょうか?答えはノーです不思議でしょう?地球は取り込んだ太陽エネルギーをすべて宇宙に放出しましたそうでなければ、地球はますます熱くなり、地表全体が溶けた海になってしまう。 それでは、もし太陽エネルギーが地球上のすべての生き物をはぐくみ、また全世界の科学技術文明を支えなければ、それは何でしょうか?答えは太陽エネルギーです両者の間には大きな違いがあります。実際、地球はどのように太陽のエネルギーを利用して、それから太陽のエネルギーを反射して、その原理は物理学の上の重要な科目に関連します:熱力学。 まず、光の微粒子である光子が太陽に由来するときの温度は、太陽の表層温度と同じ約5500℃です。しかし、光子が再び宇宙に放出されると、光子の温度は地球の表面温度の平均である20℃まで下がります。光子が太陽から来た時よりずっと寒いのです ケルビン温度計を使って光子のエネルギーを直接効率的に比較することができますケルビンの中で、0ケルビンは到達可能な最低温度、つまりマイナス273℃を示します。太陽の光子の温度は5800ケルビン、地球は300ケルビンです。つまり、地球が反射する光子は太陽の光子エネルギーの300分の5800で、四捨五入すると20分の1になります。前にも言いましたが、地球は太陽から何のエネルギーも得ていません。つまり、地球が太陽から放射される高エネルギーの光子を1個受け取ると、低エネルギーの光子は20個になります。 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）。 1つの目標を追跡することは、複数の目標を追跡することよりも簡単であることはよく知られています。同じように単一の光子も20個の光子よりずっと単純で秩序があります秩序のあるエネルギーは、秩序のないエネルギーよりもよく働きます。言い換えれば、太陽から放射される光子1個のほうが、地球から放射される光子20個よりも仕事ができるということです。 ここでちょっと話をそらして、蒸気機関の話をしなければなりません。蒸気機関は19世紀の産業革命を支える柱であっただけではなく、蒸気機関の原理はもっと普遍的な意味で重要でした。「人間のすべての活動は、食べ物の消化も芸術の創作も、結局は蒸気機関の原理に従っています」化学者のピーター・アトキンスはこう述べていますなぜなら、蒸気機関の原理はエネルギーがどのように働くかを根本的に完璧に説明しており、熱力学という学問が蒸気機関の研究によって誕生したからです。 蒸気機関では、高温の蒸気が大気圧に作用してピストンを動かします。作業が終わると、蒸気が冷えて低温の液体になります。つまり、高エネルギーの物質(ここでは高温の蒸気)が働くと、低エネルギーの物質(低温の液体)に変化するのです。 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。 温度は物体の分子運動エネルギーの平均値です。水蒸気分子(水分子)が狂ったように飛び回り、狂ったスズメバチの群れのように散らばっているのが、水蒸気の温度が高い理由です。ピストンを前に押し出す過程で、水分子のランダムな動きの一部がピストン全体の動きに変わります。そうすると水蒸気の温度が下がり、液化して水になります。 もしあなたが水蒸気の熱エネルギーを仕事に完全に使うことができると思うならば、それは間違いです。水蒸気分子の小さな部分だけがピストンが動く方向に動くため、ピストンを動かすことができます。その結果、基本的な物理現象であるエネルギーが完全に勉強に変換されません。 仕事に使えるエネルギーを有効エネルギーといいます。そして面白いことに、総エネルギーが等しい場合、高温系の有効エネルギーは低温系の有効エネルギーより多いです。低温になるとエネルギー源が疲れきって、何かをする気力を失ってしまうからです。これは、蒸気機関で冷却されて液体になった水や、地球から放射される光子にも当てはまります。要約すれば、太陽から放射される効率の高い光子が地球上で働き回り、さまざまな生物の代謝に関与したり、テクノロジーに携わったりしています。光子の一つ一つが蒸気機関のように効果的に使われて使い果たされてしまい、やがて宇宙に戻されます。 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。 エントロピーという用語を聞いたことがあるでしょう。これは系内の混乱(例えば水蒸気の量)を測定するのに使われます。このように考えてもいいかもしれませんが、高温の場合、熱はにぎやかなレストランのようなもので、エネルギーを増やすことは、入り口に立って「註文します」と叫んでいるようなものです。そうすることで、店が明らかに騒がしくなるわけではありません。低温の条件の下の熱エネルギーは静かな図書館のようで、同じエネルギーを増加して、同じく図書館の入り口に立って自習に向かう人のようです。同じ声が静かな図書館の中で、妙に唐突に聞こえました。そのため、低温系に同じ量のエネルギーを加えると、エントロピーの変化が多くなります。 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。 蒸気機関の熱が働くたびに(あるいは地球上で光子の反応が数えられないほど起こるたびに)、温度が下がり、熱が減り、さらに無秩序になり、エントロピーが増大します。無秩序状態の熱では役に立つことはできません。これがエネルギー効率の秘密です(高エントロピーのエネルギー効率は低く、逆も同じです)。 さて、先ほどの質問に戻ります。太陽エネルギーと仕事ができる太陽エネルギーの違いについてお話ししましょう地球は太陽からのエネルギーを使っていませんが太陽エネルギーは地球上で仕事をしていますエネルギーが働くたびに、そのエネルギーの能力は低下していきます。太陽エネルギーの場合も、光子が有効エネルギーを使い果たすまで働いて、宇宙空間に放出されます。 |
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