Formy energie
Energetické transformace a zákony termodynamiky
Fyzické energie rozpočtů
Rozpočty pevné energie
Zdroje
energetický rozpočet popisuje způsoby, v němž energie je transformována z jednoho státu do druhého v rámci definovaného systému, včetně analýzy vstupů, výstupů a změn v množství uložených. Rozpočty na ekologickou energii se zaměřují na využití a přeměny energie v biosféře nebo jejích složkách.
sluneční elektromagnetické záření je hlavním vstupem energie do země. Tento vnější zdroj energie pomáhá ohřívat planetu, odpařovat vodu, cirkulovat atmosféru a oceány a udržovat ekologické procesy. Nakonec, veškerá sluneční energie absorbovaná zemí je znovu vyzařována zpět do vesmíru, jako elektromagnetické záření delší vlnové délky, než bylo původně absorbováno. Země udržuje prakticky dokonalou energetickou rovnováhu mezi vstupy a výstupy elektromagnetické energie.
Zemské ekosystémy závislé na sluneční záření jako externí zdroj difúzní energie, které může být využíváno fotosyntézy autotrofní organismy, jako jsou zelené rostliny, syntetizovat jednoduché organické molekuly jako cukry z anorganických molekul, jako je oxid uhličitý a voda. Rostliny používají pevnou energii těchto jednoduchých organických sloučenin plus anorganické živiny k syntéze obrovské rozmanitosti biochemikálií různými metabolickými reakcemi. Rostliny využívají tyto biochemikálie a energii, kterou obsahují, k dosažení jejich růstu a reprodukce. Navíc, rostlinné biomasy je přímo nebo nepřímo využívána jako potravina enormní počty heterotrofních organismů, které nejsou schopny upevnění své vlastní energie. Mezi tyto organismy patří býložravci, kteří jedí rostliny, masožravci, kteří jedí zvířata, a detritivory, které se živí mrtvou biomasou.
celosvětově je využití sluneční energie pro tento ekologický účel relativně malé, což představuje mnohem méně než 1% množství přijatého na zemském povrchu. I když se jedná o kvantitativně triviální část energie Zemského rozpočtu, je jednoznačně velmi důležitou kvalitativně, protože to je absorbován a biologicky pevné energie, která dotuje všechny ekologické procesy.
Formy energie
Energie je definována jako schopnost, nebo potenciální možnost, orgánu nebo systému pracovat. Energie může být měřena v různých jednotkách, jako jsou kalorií, definované jako množství energie potřebné ke zvýšení teploty jednoho gramu čisté vody o jeden stupeň Celsia. (Všimněte si, že kalorie dietologa odpovídá tisícům těchto kalorií nebo jedné kilokalorii.) Joule (J) je další jednotka energie. Jeden joule je obecně definován jako množství práce potřebné ke zvedání hmotnosti 1 kg o 10 cm na povrchu Země. To odpovídá 0,24 kalorií. Kromě toho, jedna kalorie (malé kalorie) je rovná asi 4.184 J.
Energie může existovat v různých státech, z nichž všechny jsou vzájemně zaměnitelné, přes různé druhy fyzikální/chemické transformace. Základní kategorie energie jsou: elektromagnetické, kinetické a potenciální, ale každý z nich může také existovat v různých stavech.
Elektromagnetické energie je energie fotonů, nebo kvanta energie, které mají vlastnosti obou částic a vln, a že cestovat přes vakuum vesmíru konstantní rychlostí přibližně 3× 108 metrů za sekundu (tedy rychlostí světla). Součásti elektromagnetické energie jsou charakterizovány na základě vlnové rozsahy, které si objednal od nejkratší po nejdelší vlnové délky jsou známé jako: gama, rentgenové, ultrafialové, světelné, nebo viditelné, infračervené a rádio. -459°F nebo nula stupňů na Kelvinově stupnici) emitují elektromagnetickou energii rychlostí a spektrální kvalitou, která je přísně určena jejich povrchovou teplotou. Relativně teplé tělo, mají mnohem větší míry emisí a jejich záření převládají kratší vlnové délky, ve srovnání s chladnější těla. Slunce má povrchovou teplotu asi 11 000°F (6 093°C). Většina jeho záření je v rozsahu vlnových délek viditelného světla (0,4 až 0,7 m nebo mikrometrů) a infračerveného záření s kratší vlnou (0,7 až 2.0 æm), zatímco Země má povrchovou teplotu asi 77°F (25°C) a jeho záření vrcholy v delší vlny infračervené oblasti asi 10 æm.
kinetická energie je energie dynamického pohybu, z nichž existují dva základní typy, energie pohybujících se těles a energie vibrujících atomů nebo molekul. Čím později je také známý jako tepelná energie, a čím intenzivnější vibrace, tím větší je obsah tepla.
potenciální energie má schopnost pracovat, ale musí být k tomu mobilizována. Potenciální energie se vyskytuje v různých formách. Chemická potenciální energie je uložena v meziatomových vazbách molekul. Tato energie může být uvolněna takzvanými exotermickými reakcemi, které mají čisté uvolnění energie. Například teplo se uvolňuje, když se chemicky redukovaná síra sulfidových minerálů oxiduje na síran a když se krystalický chlorid sodný rozpustí ve vodě. Všechny biochemicals také ukládat potenciální energie, což odpovídá 4,6 kcal na gram sacharidů, 4.8 Kcal/g bílkovin, a 6.0 9.0 Kcal/g tuku.
Gravitační potenciální energie je uložena v hmotě, který je povýšen nad některé gravitačně atraktivní povrch, jako když se voda vyskytuje, nad hladinou oceánů, nebo jakýkoliv objekt, dochází nad povrchem země. Pokud není bráněno, voda spontánně teče z kopce, a objekty padají dolů v reakci na gradienty gravitační potenciální energie. Jiné typy potenciální energie jsou poněkud méně důležité z hlediska ekologické energie rozpočtů, ale zahrnují potenciální energie stlačené plyny, elektrický potenciál, přechody spojené s napětím rozdíly a potenciální energie hmoty, která může být propuštěn jaderné reakce.
transformace energie a zákony termodynamiky
jak bylo uvedeno výše, energie může být transformována mezi různými stavy. Elektromagnetická energie může být například absorbována tmavým objektem a přeměněna na tepelnou kinetickou energii. Tato akce má za následek zvýšenou teplotu absorbujícího těla. Jako další příklad, gravitační potenciální energie vody vysoko na plošině může být transformována do kinetické energie pohybující se vody a tepla na vodopád, nebo to mohou být mobilizovány člověka k pohonu turbíny a generování elektrické energie. Zatřetí, sluneční elektromagnetické záření může být absorbováno chlorofylem zelených rostlin a část absorbované energie může být přeměněna na chemickou potenciální energii cukrů a zbytek přeměněn na teplo.
všechny transformace energie musí probíhat podle určitých fyzikálních principů, známých jako zákony termodynamiky. Jedná se o univerzální zákony; což znamená, že jsou vždy pravdivé, bez ohledu na okolnosti. První zákon uvádí, že energie může projít transformací mezi různými stavy, ale nikdy není vytvořena ani zničena-takže energetický obsah vesmíru zůstává konstantní. Důsledkem tohoto zákona pro rozpočty na energii je, že vždy musí existovat nulová rovnováha mezi energetickými vstupy do systému, energetickými výstupy a jakýmkoli čistým ukládáním v systému.
druhý zákon termodynamiky říká, že transformace energie může nastat spontánně v podmínkách, kdy dochází ke zvýšení entropie vesmíru. (Entropie souvisí s náhodností rozdělení hmoty a energie). Například země je nepřetržitě ozařována slunečním zářením, většinou viditelných a blízkých infračervených vlnových délek. Část této energie je absorbována, což ohřívá povrch Země. Planeta se ochlazuje různými způsoby, ale nakonec se to děje vyzařováním vlastního elektromagnetického záření zpět do vesmíru, jako infračerveného záření s delší vlnou. Transformace relativně krátkovlnné sluneční záření na delší vlnové záření vyzařované Země představuje degradaci kvality energie, a zvýšení entropie vesmíru.
důsledek, nebo sekundární návrh druhého zákona termodynamiky je, že energetická transformace nemůže být nikdy zcela efektivní, protože některé počáteční obsah energie musí být přeměněna na teplo tak, že entropie může být zvýšena. To je nakonec důvod, proč nelze více než asi 30% energetického obsahu benzínu převést na kinetickou energii jedoucího automobilu. To je také důvod, proč v moderní výrobní stanici nelze přeměnit více než asi 40% energie uhlí na elektřinu. Podobně existují horní limity účinnosti, kterou zelené rostliny mohou fotosynteticky přeměnit viditelné záření na biochemikálie, a to i v ekosystémech, ve kterých jsou optimalizována ekologická omezení související s živinami, vodou a prostorem.
je Zajímavé, že rostliny absorbují viditelné záření vyzařovaného sluncem, a použít tento relativně rozptýlené energie pro opravu jednoduchých anorganických molekul, jako je oxid uhličitý, vodu a další živiny do velmi složité a energeticky husté biochemicals. Heterotrofní organismy pak používají biochemikálie rostlinné biomasy k syntéze vlastních komplexních biochemikálií. Lokálně tyto různé biologické syntézy představují energetické transformace, které podstatně snižují entropii, spíše než ji zvyšují. K tomu dochází, protože relativně rozptýlená sluneční energie a jednoduché sloučeniny jsou zaměřeny na komplexní biochemikálie živých organismů.
nedodržují biologické transformace druhý zákon termodynamiky? Tento zdánlivý fyzický paradox života lze úspěšně racionalizovat pomocí následující logiky: Lokalizovaná bio-koncentrace negativní entropie může nastat, protože do systému je konstantní vstup energie ve formě slunečního záření. Pokud tento externí zdroj energie byl ukončen, pak všechny negativní entropie organismy a organické hmoty by poměrně rychle spontánně degradován, produkující teplo a jednoduché anorganické molekuly, a tím zvýšení entropie vesmíru. To je důvod, proč život a ekosystémy nemohou přežít bez neustálých vstupů sluneční energie. Proto lze biosféru považovat za lokalizovaný ostrov, v prostoru a čase, negativní entropie, poháněný vnějším (slunečním) zdrojem energie. K těmto ekologickým okolnostem existují fyzikální analogy-pokud je do systému vložena vnější energie, mohou být relativně rozptýlené molekuly plynů koncentrovány do nádoby, jak tomu je, když člověk energicky fouká, aby naplnil balón vzduchem. Nakonec se však balón objeví, plyny se znovu rozptýlí, původní vstup energie se přemění na teplo a entropie vesmíru se zvýší.
Fyzické energie rozpočtů
Fyzické energie rozpočtů zvážit konkrétní, definovaný systém, a pak analyzovat vstupy energie, její různé proměny a sklady, a případné výstupy. Tento koncept lze ilustrovat odkazem na energetický rozpočet země.
hlavní vstup energie do země nastává jako sluneční elektromagnetická energie. Na vnější hranice Zemské atmosféry, průměrná míra vstupu slunečního záření je 2.00 kalorií na cm2 za minutu (tento tok je označován jako sluneční konstanta). Přibližně polovina tohoto vstupu energie se vyskytuje jako viditelné záření a polovina jako blízké infračervené záření. Jak již bylo uvedeno dříve, Země také vydává své vlastní elektromagnetické záření, a to opět v kurzu 2.00 cal/cm2/min, ale s spektra, které vrcholy v delší-wave infračervený, na asi 10 æm. Protože rychlost vstupu energie se rovná rychlosti výstupu, nedochází k čistému ukládání energie a k žádné podstatné, dlouhodobější změně povrchové teploty Země. Proto země představuje systém toku energie s nulovým součtem. (Ve skutečnosti, v průběhu geologického času došlo k malému ukládání energie, vyskytující se jako akumulace nedostatečně složené biomasy, která se nakonec geologicky přemění na fosilní paliva. Existují také menší, dlouhodobější variace teplotního povrchu země, které představují změnu klimatu. Ty však představují kvantitativně triviální výjimky z předchozího tvrzení o Zemi jako o nulovém součtu, průtokový systém pro energii.) Ačkoli množství energie emitované zemí se nakonec rovná množství slunečního záření, které je absorbováno, mezi těmito dvěma událostmi dochází k některým ekologicky důležitým transformacím.
nejdůležitější způsoby, které Země se zabývá jeho dopadajícího slunečního záření jsou:
- v průměru asi 30% z dopadající sluneční energie se odráží zpět do vesmíru do Zemské atmosféry nebo jeho povrchu. Tento proces se vztahuje k Zemi, je albedo, které je silně ovlivněna sluneční úhel, množství mraků a atmosférických částic, a v menší míře podle charakteru Zemského povrchu, zejména typy a množství vody (včetně led) a vegetační kryt.
- O 25% dopadající energie je absorbována atmosférických plynů, par a částic, přeměněna na teplo, nebo tepelné kinetickou energii, a pak re-radiated jako delší vlnové délky infračerveného záření.
- asi 45% dopadajícího záření je absorbováno na zemském povrchu živými a neživými materiály a je přeměněno na tepelnou energii, čímž se zvyšuje teplota absorbujících povrchů. Roky) a dokonce i ve střednědobém horizontu (tj. Prakticky veškerá absorbovaná energie je znovu vyzařována povrchem jako infračervená energie s dlouhými vlnami, s vrcholem vlnové délky asi 10 æm.
- část tepelné energie povrchů způsobuje odpařování vody z rostlinných a neživých povrchů (viz záznam o evapotranspiraci) nebo tání ledu nebo sněhu.
- Kvůli nerovnoměrné distribuci tepelné energie na zemském povrchu, některé z absorbované záření disky hromadné dopravy, distribuční procesy, jako je vítr, vodní proudy a vlny na hladině vodních toků.
- velmi malý (v průměru menší než 0.1%), ale ekologicky kritická část příchozí sluneční energie je absorbována chlorofylem rostlin a používá se k řízení fotosyntézy. Tato fotoautotrofická fixace umožňuje dočasně uložit část sluneční energie do potenciální energie biochemikálií a sloužit jako energetický základ života na Zemi.
Některé plyny v Zemské atmosféře pohlcují dlouhovlnné infračervené záření, které je vyzařované vyhřívaná ohledu na to, ve druhém a třetím tyto mechanismy (uvedené výše). Tato absorpce ohřívá plyny, které pak procházejí dalším re-radiace, vyzařující i déle-vlnová délka infračervené energie ve všech směrech, včetně zpět k zemskému povrchu. Radiačně aktivní plyny v atmosféře jsou voda a oxid uhličitý, ale stopové plyny metan, oxid dusný, ozon a chlorfluoruhlovodíky jsou také významné. Tento jev, známý jako skleníkový efekt, významně narušuje rychlost radiačního chlazení zemského povrchu.
Pokud tam byly žádné skleníkový efekt, a zemská atmosféra byla plně transparentní pro dlouhovlnné infračervené záření, povrchová teplota by v průměru o 17.6°C (-8°C), příliš chladno pro biologické procesy se vyskytují. Protože přirozeně se vyskytující skleníkový efekt udržuje Zemi průměrná teplota na povrchu asi 60 stupňů Celsia teplejší, než je tento, asi 77°F (25°C), to je samozřejmě důležitý faktor v obyvatelnost planety. Lidské činnosti však vedly ke zvýšení atmosférických koncentrací některých radiačně aktivních plynů a existují obavy, že by to mohlo způsobit zesílení skleníkového efektu země. To by mohlo vést ke globálnímu oteplování, změnám v distribuci srážek a dalším klimatickým účinkům a vážným ekologickým a socioekonomickým škodám.
Rozpočty pevné energie
Ekologické energetiky zkoumá proměny pevné, biologická energie v rámci komunit a ekosystémů, a to zejména, jakým způsobem biologicky pevnou energie je předán prostřednictvím potravin webu.
například, studie, přírodní dub-borovice lesní ve státě New York zjistili, že vegetace pevné sluneční energie, což odpovídá 11, 500 kilokalorií na hektar za rok (103 Kcal/ha/rok). Dýchání rostlin však využilo 6,5× 103 Kcal/ha/rok, takže skutečná čistá akumulace energie v ekosystému byla 5.0× 103 Kcal / ha / rok. Různé druhy heterotrofní organismy v lese využity jiné 3.0× 103 Kcal/ha/rok na podporu jejich dýchání, takže net
KLÍČOVÉ POJMY
Elektromagnetické energie— druh energie, zahrnující fotony, které mají fyzikální vlastnosti částice i vlny. Elektromagnetická energie je rozdělena na spektrální složky, které (seřazené od dlouhé po krátkou vlnovou délku) zahrnují rádio, infračervené, viditelné světlo, ultrafialové a kosmické.
entropie-měření tendence ke zvýšené náhodnosti a poruchám.
akumulace biomasy všemi organismy ekosystému byla ekvivalentní 2,0 x 103 Kcal / ha / rok.
předchozí je příkladem rozpočtu s pevnou energií na úrovni ekosystému. Někdy ekologové rozvíjejí rozpočty energie na úrovni obyvatelstva a dokonce i pro jednotlivce. Například v závislosti na okolnostech a příležitostech prostředí mohou jednotlivé rostliny nebo zvířata optimalizovat svou kondici přidělením svých energetických zdrojů do různých činností, nejjednodušeji do růstu jedince nebo do reprodukce.
rozpočty na biologickou energii jsou však obvykle mnohem komplikovanější. Například, rostlina může různě přidělit své energie do výroby delší stonky a větší listy zlepšit jeho přístup ke slunečnímu záření, nebo by to mohlo rostou delší a více kořenů ke zvýšení jeho přístup k půdě živiny, nebo více květů a semen, aby se zvýšila pravděpodobnost úspěšné reprodukce. Existují i další možné alokační strategie, včetně některých kombinací předchozích.
podobně musí medvěd rozhodovat o přidělení svého času a energie. To se musí rozhodnout, na činnosti spojené s odpočinku, a to buď během dne nebo dlouhodobé hibernace, lov rostlinného nebo živočišného potravin, hledání partnera, péče o mláďata, nebo se jen baví, jak divoké medvědy je známo, že dělat.
Viz také přenos energie; potravinový řetězec / web.