Земля получает от солнца около 90 пета джоулей энергии в секунду – это очень много. Достаточно, чтобы тысячу раз удовлетворить все потребности в энергии, но в то же время Земля испускает в пространство такое же количество энергии в виде тепла или почти такое же количество. Земля по немногу нагревается… Но это уже совсем другая история.
Что называют полезной энергией?
Если поступающая энергия равна испускаемой энергии, как же мы можем использовать энергию, чтобы делать что-либо? На самом деле, то что имеет значение, это не просто энергия, а полезная энергия. А она может быть полезной, если она поступает в состоянии низкой энтропии. Общее количество энергии в любой закрытой системе не может измениться – энергия сохраняется, но вся эта энергия может иметь разную степень полезности. Полезная энергия, например, может быть у воды за дамбой, вода будет течь пока ее уровень не выровняется по обе стороны, но не когда сама по себе не поднимется. Или горячий чай, в котором есть кусок льда, вы увидите, как лед тает, но не увидите, как чай спонтанно образует кусок этого самого льда, постепенно нагреваясь, несмотря на то, что общая энергия будет неизменным. Таким образом, полезная энергия – это энергия с низкой энтропией, не находящееся в равновесии, которую можно использовать для выполнения работы – заставить вращаться турбину, толкать поршень или растопить кубик льда.
Бесполезная энергия
С другой стороны, бесполезную энергию - нельзя использовать для работы, она существует в форме выделяемого тепла – шума или потенциальной энергии, например, лежащего на полу мяча. Мы просто не можем ничего сделать с этой энергией. Например, бензин и воздух имеют полезную низкоэнтропийную энергию сжигая их вместе – мы можем разогнать машину, проехать немного, а затем нажать на тормоз и остановиться. Общая энергия системы останется неизменной во время поездки, но полезная химическая трансформируется в бесполезное тепло и шум с высокой энтропией. Энергия все еще существует, но мы не можем ею воспользоваться, чтобы заставить работать машину, как бы удобно это ни было. И тоже самое происходит с Землей.
Как энтропия питает Землю?
Солнце посылает нам энергию в удобном низкоэнтропийном состоянии, в основном в форме фотонов видимого света. Эта энергия впитывается, используется и деградирует посредством различных процессов, пока мы не испускаем ее в форме множества фотонов инфракрасного спектра с высокой энтропией. На каждый получаемый фотон видимого света Земля испускает в пространство около 20 инфракрасных фотонов, несмотря на то, что получаемая и испускаемая энергия равны, энтропия этой энергии возросло в 20 раз. На самом деле, солнце является источником полезной энергии, только потому, что она горячая и яркая точка посреди холодного и темного неба. Если бы все небо имело температуру солнца, наша планета получала бы на много больше энергии, но и Земля очень быстро бы достигла высокоэнтропийного состояния равновесия – в общем имеющего температуру солнца. Так что такие вещи, как поездка на машине или жизнь были бы не возможны, не потому что энергии недостаточно, а потому что ничего нельзя сделать если энергия везде одинакова. В состоянии равновесия - вся энергия бесполезна, ничего не меняется, а значит и направление времени теряет какой-либо смысл.
