energiamuodot
Energiamuutokset ja termodynamiikan lait
fyysiset energiabudjetit
kiinteän energian budjetit
resurssit
energiabudjetti kuvaa tapoja, joilla energia muuttuu tilasta toiseen jossakin määritellyssä järjestelmässä, mukaan lukien panosten, tuotosten ja muutosten analysointi varastoidut määrät. Ekologiset energiabudjetit keskittyvät biosfäärin tai sen komponenttien energian käyttöön ja muunnoksiin.
auringon sähkömagneettinen säteily on tärkein energia maahan. Tämä ulkoinen energianlähde auttaa lämmittämään planeettaa, haihduttamaan vettä, kierrättämään ilmakehää ja meriä sekä ylläpitämään ekologisia prosesseja. Lopulta kaikki maan absorboima aurinkoenergia säteilee takaisin avaruuteen sähkömagneettisena säteilynä, jonka aallonpituus on pidempi kuin alun perin absorboituneen. Maa ylläpitää lähes täydellistä energiatasapainoa sähkömagneettisen energian syöttöjen ja tuotosten välillä.
maapallon ekosysteemit ovat riippuvaisia auringon säteilystä ulkoisena hajaenergian lähteenä, jota fotosynteettiset autotrofit, kuten viherkasvit, voivat hyödyntää syntetisoidakseen yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä kuten sokereita epäorgaanisista molekyyleistä kuten hiilidioksidista ja vedestä. Kasvit käyttävät näiden yksinkertaisten orgaanisten yhdisteiden kiinteää energiaa sekä epäorgaanisia ravintoaineita syntetisoidakseen valtavan määrän biokemikaaleja erilaisten aineenvaihduntareaktioiden avulla. Kasvit käyttävät näitä biokemikaaleja ja niiden sisältämää energiaa kasvunsa ja lisääntymisensä toteuttamiseen. Lisäksi kasvien biomassaa hyödyntävät suoraan tai välillisesti ravinnoksi valtavat määrät heterotrofisia eliöitä, jotka eivät kykene sitomaan omaa energiaansa. Näitä eliöitä ovat kasvinsyöjät, jotka syövät kasveja, lihansyöjät, jotka syövät eläimiä, ja staitivorit, jotka syövät kuollutta biomassaa.
Koko maailmassa aurinkoenergian käyttö tähän ekologiseen tarkoitukseen on suhteellisen vähäistä, se on paljon alle 1% maapallon pinnalta saadusta määrästä. Vaikka tämä on kvantitatiivisesti vähäpätöinen osa maapallon energiabudjettia, se on selvästi laadullisesti erittäin tärkeä, koska tämä on absorboitua ja biologisesti kiinteää energiaa, joka tukee kaikkia ekologisia prosesseja.
energiamuodot
energia määritellään kehon tai järjestelmän kyvyksi tai potentiaaliseksi kyvyksi tehdä työtä. Energiaa voidaan mitata eri yksikköinä, kuten kalorimääränä, joka määritellään energiamääräksi, joka tarvitaan yhden gramman puhtaan veden lämpötilan nostamiseen yhdellä celsiusasteella. (Huomaa , että ravitsemusterapeutin kalorimäärä vastaa tuhatta näistä kaloreista eli yhtä kilokaloria.) Joule (J) on toinen energian yksikkö. Yksi joule määritellään yleensä työmääräksi, joka tarvitaan 1 kg x 10 cm: n painon nostamiseen maan pinnalla. Se vastaa 0,24 kaloria. Lisäksi yksi kalori (pieni kalori) on yhtä suuri kuin noin 4,184 J.
energiaa voi olla eri olomuodoissa, jotka kaikki ovat vaihdettavissa erilaisten fysikaalisten/kemiallisten muunnosten kautta. Energian perusluokat ovat: sähkömagneettisia, kineettisiä ja potentiaalisia, mutta jokainen näistä voi esiintyä myös eri olomuodoissa.
sähkömagneettinen energia on fotonien eli energian kvanttienergiaa, joilla on sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia ja jotka kulkevat avaruuden tyhjiössä vakionopeudella noin 3× 108 metriä sekunnissa (eli valonnopeudella). Sähkömagneettisen energian komponentit on ominaista aallonpituusalueiden perusteella, jotka tilataan lyhimmästä pisimpään aallonpituuksia tunnetaan: gamma, röntgen, ultravioletti, valo tai näkyvä, infrapuna ja radio. Kaikki kappaleet, joiden lämpötila on suurempi kuin absoluuttinen nolla (Eli -459°F eli nolla astetta Kelvin-asteikolla ) säteilevät sähkömagneettista energiaa nopeudella ja spektrilaadulla , joka määräytyy tiukasti niiden pintalämpötilan mukaan. Suhteellisen kuumilla kappaleilla on paljon suuremmat emissionopeudet ja niiden säteilyä hallitsevat lyhyemmät aallonpituudet verrattuna viileämpiin kappaleisiin. Auringon pintalämpötila on noin 11 000°F (6 093°C). Suurin osa sen säteilystä on näkyvän valon aallonpituusalueella (0,4-0,7 æm tai mikrometriä) ja lyhytaaltoisen infrapunan aallonpituusalueella (0,7-2.0 æm), kun taas maan pintalämpötila on noin 77°F (25°C) ja sen säteilyhuiput pidemmän aallon infrapuna-alueella noin 10 æm.
liike-energia on dynaamisen liikkeen energia, jota on kahta perustyyppiä, liikkuvien kappaleiden energiaa ja värähtelevien atomien tai molekyylien energiaa. Mitä myöhempi tunnetaan myös lämpöenergiana, ja mitä voimakkaampaa värähtely on, sitä suurempi on lämpösisältö.
Potentiaalienergialla on kyky tehdä työtä, mutta sitä varten se on mobilisoitava. Potentiaalienergiaa esiintyy eri muodoissa. Kemiallinen potentiaalienergia varastoituu molekyylien atomien välisiin sidoksiin. Tämä energia voidaan vapauttaa niin sanotuilla eksotermisillä reaktioilla, joissa energiaa vapautuu nettomääräisesti. Lämpöä vapautuu esimerkiksi, kun sulfidimineraalien kemiallisesti pelkistetty rikki hapetetaan sulfaatiksi ja kiteinen natriumkloridi liuotetaan veteen. Kaikki biokemikaalit varastoivat myös potentiaalienergiaa, joka vastaa 4,6 kilokaloria grammassa hiilihydraattia, 4,8 Kcal/g proteiinia ja 6,0-9,0 Kcal/g rasvaa.
Gravitaatiopotentiaalienergia varastoituu massaan, joka kohoaa jonkin gravitaatiomaisesti houkuttelevan pinnan yläpuolelle, kuten veden esiintyessä valtamerten pinnan yläpuolella tai minkä tahansa kappaleen esiintyessä maanpinnan yläpuolella. Ellei sitä estetä, vesi virtaa spontaanisti alamäkeen, ja kappaleet putoavat alaspäin vastauksena gravitaatiopotentiaalienergian kaltevuuksiin. Muunlaiset potentiaalienergiat ovat ekologisten energiabudjettien kannalta hieman vähemmän tärkeitä, mutta niihin kuuluvat muun muassa puristettujen kaasujen potentiaalienergiat, jänniteeroihin liittyvät sähköiset potentiaaligradientit sekä aineen potentiaalienergia, joka voidaan vapauttaa ydinreaktioissa.
energian muunnokset ja termodynamiikan lait
kuten aiemmin todettiin, energia voi muuntua eri tilojensa kesken. Esimerkiksi sähkömagneettinen energia voi absorboitua pimeään kappaleeseen ja muuttua termiseksi kineettiseksi energiaksi. Tämä toiminta johtaa lisääntyneeseen lämpötilaan absorboiva elin. Toinen esimerkki on, että korkealla tasanteella olevan veden gravitaatiopotentiaalienergia voi muuttua vesiputouksessa liikkuvan veden ja lämmön liike-energiaksi, tai ihmiset voivat mobilisoida sen turbiinin ajamiseksi ja sähköenergian tuottamiseksi. Kolmanneksi auringon sähkömagneettinen säteily voi absorboitua viherkasvien klorofylliin, ja osa absorboituneesta energiasta voidaan muuntaa sokerien kemialliseksi potentiaalienergiaksi ja loput lämmöksi.
kaikkien energian muunnosten on tapahduttava tiettyjen fysikaalisten periaatteiden mukaan, joita kutsutaan termodynamiikan laeiksi. Nämä ovat universaaleja lakeja, mikä tarkoittaa, että ne ovat aina tosia olosuhteista riippumatta. Ensimmäisen lain mukaan energia voi muuttua eri tilojensa välillä, mutta sitä ei koskaan luoda eikä tuhota—joten maailmankaikkeuden energiasisältö pysyy vakiona. Tämän energiabudjetteja koskevan lain seuraus on, että järjestelmään syötettävien energiamäärien, energiatuotosten ja järjestelmän mahdollisen nettovarastoinnin välillä on aina oltava nollatasapaino.
termodynamiikan toisen lain mukaan energian muunnokset voivat tapahtua spontaanisti vain olosuhteissa, joissa kaikkeuden entropia lisääntyy. (Entropia liittyy aineen ja energian jakaumien satunnaisuuteen). Esimerkiksi maata säteilytetään jatkuvasti auringon säteilyllä, joka koostuu enimmäkseen näkyvistä ja Lähi-infrapunan aallonpituuksista. Osa tästä energiasta absorboituu, mikä lämmittää maan pintaa. Planeetta viilentää itseään eri tavoin, mutta lopulta tämä tapahtuu säteilemällä omaa sähkömagneettista säteilyään takaisin avaruuteen, pidemmän aallon infrapunasäteilynä. Suhteellisen lyhytaaltoisen auringon säteilyn muuttuminen maan lähettämäksi pitempiaaltoiseksi säteilyksi merkitsee energian laadun heikkenemistä ja maailmankaikkeuden entropian lisääntymistä.
termodynamiikan toisen lain seuraus eli toissijainen väite on, että energiamuunnokset eivät voi koskaan olla täysin tehokkaita, koska osa energian alkuperäisestä sisällöstä on muunnettava lämmöksi, jotta entropiaa voidaan lisätä. Viime kädessä tämä on syy siihen, miksi korkeintaan noin 30% bensiinin energiasisällöstä voidaan muuntaa liikkuvan auton liike-energiaksi. Se on myös syy siihen, miksi nykyaikaisessa sähköntuotantolaitoksessa voidaan muuttaa enintään noin 40 prosenttia kivihiilen energiasta sähköksi. Samoin on olemassa ylärajat sille, miten tehokkaasti viherkasvit voivat yhteyttää näkyvää säteilyä biokemikaaleiksi myös ekosysteemeissä, joissa ravinteiden, veden ja tilan ekologiset rajoitteet on optimoitu.
on kiinnostavaa, että kasvit absorboivat auringon säteilyä ja käyttävät tätä suhteellisen hajanaista energiaa kiinnittääkseen yksinkertaisia epäorgaanisia molekyylejä, kuten hiilidioksidia, vettä ja muita ravintoaineita, hyvin monimutkaisiksi ja energiatiheiksi biokemikaaleiksi. Heterotrofiset eliöt käyttävät sitten kasvibiomassan biokemikaaleja syntetisoidakseen omia monimutkaisia biokemikaalejaan. Paikallisesti nämä erilaiset biologiset syntetisaattorit edustavat energiamuunnoksia, jotka pikemminkin vähentävät entropiaa merkittävästi kuin lisäävät sitä. Tämä johtuu siitä, että suhteellisen hajanainen aurinkoenergia ja yksinkertaiset yhdisteet ovat keskittyneet elävien organismien monimutkaisiin biokemikaaleihin.
eivätkö biologiset muunnokset noudata termodynamiikan toista lakia? Tämä näennäinen elämän fysikaalinen paradoksi voidaan menestyksellisesti järkeistää käyttämällä seuraavaa logiikkaa: Negatiivisen entropian paikallinen bio-konsentrointi voi tapahtua, koska systeemiin virtaa jatkuvasti energiaa auringon säteilyn muodossa. Jos tämä ulkoinen energianlähde lopetettaisiin, kaikki eliöiden ja orgaanisen aineen negatiivinen entropia hajoaisi melko nopeasti spontaanisti, jolloin syntyisi lämpöä ja yksinkertaisia epäorgaanisia molekyylejä ja siten maailmankaikkeuden entropia kasvaisi. Tämän vuoksi elämä ja ekosysteemit eivät selviä ilman jatkuvaa aurinkoenergian käyttöä. Tämän vuoksi biosfäärin voidaan katsoa edustavan paikassa sijainnutta negatiivisen entropian saarta, jota ruokkii ulkoinen (aurinko) energianlähde. On olemassa fysikaalisia analogeja näihin ekologisiin olosuhteisiin—jos ulkoinen energia laitetaan järjestelmään, suhteellisen hajallaan olevat kaasumolekyylit voidaan keskittää säiliöön, kuten tapahtuu, kun henkilö puhaltaa energeettisesti täyttääkseen ilmapallon ilmalla. Lopulta ilmapallo kuitenkin poksahtaa, kaasut hajaantuvat uudelleen, Alkuperäinen energiansyöttö muuttuu lämmöksi ja maailmankaikkeuden entropia kasvaa.
fyysiset energiabudjetit
fyysiset energiabudjetit tarkastelevat tiettyä, määriteltyä järjestelmää ja analysoivat sitten energian panokset, sen erilaiset muunnokset ja varastot sekä mahdolliset tuotokset. Tätä käsitettä voidaan havainnollistaa viittaamalla maapallon energiabudjettiin.
suurin energian tulo maahan tapahtuu auringon sähkömagneettisena energiana. Maan ilmakehän ulkorajoilla auringon säteilyn keskimääräinen tulonopeus on 2,00 kaloria / cm2 minuutissa (tätä vuota kutsutaan aurinkovakioksi). Noin puolet tästä energiasta tapahtuu näkyvänä säteilynä ja puolet Lähi-infrapunana. Kuten aiemmin todettiin, maa lähettää myös omaa sähkömagneettista säteilyään, jälleen nopeudella 2,00 cal/cm2/min, Mutta spektri, joka huipussaan pidemmän aallon infrapuna, noin 10 æm. Koska energian syöttönopeus on yhtä suuri kuin tuotos, energian nettovarastointia ei tapahdu, eikä maan pintalämpötilassa tapahdu merkittävää, pidempiaikaista muutosta. Siksi maa edustaa nollasummaa, energian läpivirtausjärjestelmää. (Itse asiassa geologisen ajan kuluessa on ollut pieni energiavarasto, joka esiintyy alimuodostuneen biomassan kasautumisena, joka lopulta muuttuu geologisesti fossiilisiksi polttoaineiksi. On myös pieniä, pidempiaikaisia maapallon lämpötilan vaihteluita, jotka kuvaavat ilmastonmuutosta. Nämä edustavat kuitenkin kvantitatiivisesti triviaaleja poikkeuksia edelliseen väitteeseen, jonka mukaan maapallo olisi nollasumma, energian läpivirtausjärjestelmä.) Vaikka maan säteilemä energiamäärä lopulta vastaa auringon absorboiman säteilyn määrää, näiden kahden tapahtuman välillä tapahtuu joitakin ekologisesti merkittäviä muutoksia.
tärkeimmät tavat, joilla maa käsittelee kohtaamaansa auringon säteilyä, ovat:
- keskimäärin noin 30% tapahtuman aurinkoenergiasta heijastuu takaisin avaruuteen maan ilmakehästä tai sen pinnasta. Tämä prosessi liittyy maapallon albedoon, johon vaikuttavat voimakkaasti auringon kulma, pilvipeitteen ja ilmakehän pienhiukkasten määrät sekä vähäisemmässä määrin maan pinnan luonne, erityisesti veden (mukaan lukien jää) tyyppi ja määrä sekä kasvipeite.
- noin 25% kohtaavasta energiasta absorboituu ilmakehän kaasuihin, höyryihin ja hiukkasiin, jotka muunnetaan lämmöksi tai termiseksi kineettiseksi energiaksi ja lähetetään sitten uudelleen pidemmän aallonpituuden infrapunasäteilynä.
- noin 45% kohtaavasta säteilystä absorboituu maan pinnalla eläviin ja ei-eläviin materiaaleihin ja muuttuu lämpöenergiaksi, mikä nostaa absorboivien pintojen lämpötilaa. Pidemmällä aikavälillä (eli vuosina) ja jopa keskipitkällä aikavälillä (eli päivinä) lämmön nettovarastointi on vähäistä tai sitä ei ole lainkaan. Lähes kaikki absorboitunut energia säteilee pinnan kautta uudelleen pitkäaaltoisena infrapunaenergiana, jonka aallonpituushuippu on noin 10 æm.
- osa pintojen lämpöenergiasta haihduttaa vettä kasvi-ja elottomilta pinnoilta (KS.kohta evapotranspiraatio), tai se saa jään tai lumen sulamaan.
- koska lämpöenergia jakautuu epätasaisesti maan pinnalla, osa absorboituneesta säteilystä ajaa massaliikennettä, jakaantumisprosesseja, kuten tuulia, veden virtauksia ja aaltoja vesistöjen pinnalla.
- a hyvin pieni (keskiarvo alle 0.1%), mutta ekologisesti kriittinen osa tulevasta aurinkoenergiasta imeytyy kasvien klorofylliin ja sitä käytetään fotosynteesin ajamiseen. Tämä fotoautotrofinen kiinnitys mahdollistaa sen, että osa aurinkoenergiasta varastoituu tilapäisesti biokemikaalien potentiaalienergiaan ja toimii maan päällä olevan elämän energisenä perustana.
tietyt Maan ilmakehän kaasut absorboivat sen tyyppistä pitkäaaltoista infrapunaenergiaa, jota kuumennettu aine säteilee toisessa ja kolmannessa hajoamismekanismissa (lueteltu edellä). Tämä absorptio kuumentaa kaasuja, jotka sitten käyvät läpi toisen uudelleensäteilyn, joka lähettää vieläkin pidemmän aallonpituuden infrapunaenergiaa kaikkiin suuntiin, myös takaisin maan pinnalle. Ilmakehän niin sanotuista säteilyaktiivisista kaasuista tärkeimmät ovat vesi ja hiilidioksidi, mutta myös hiukkaskaasuista metaani, typpioksidi, otsoni ja kloorifluorihiilivedyt ovat merkittäviä. Tämä ilmiö, joka tunnetaan kasvihuoneilmiönä, häiritsee merkittävästi maan pinnan säteilevän jäähtymisen nopeutta.
jos kasvihuoneilmiötä ei olisi ja maan ilmakehä olisi täysin läpinäkyvä pitkäaaltoiselle infrapunasäteilylle, pintalämpötilat olisivat keskimäärin noin 17,6°F (-8°C), aivan liian kylmä biologisille prosesseille. Koska kasvihuoneilmiö pitää maapallon pintalämpötilan keskimäärin noin 60 astetta tätä lämpimämpänä, noin 25°C: ssa, se on ilmeisen tärkeä tekijä planeetan asuttavuuden kannalta. Ihmisen toiminta on kuitenkin johtanut siihen, että joidenkin säteilyaktiivisten kaasujen pitoisuudet ilmakehässä ovat kasvaneet, ja on pelätty, että tämä voisi voimistaa maapallon kasvihuoneilmiötä. Tämä voisi johtaa ilmaston lämpenemiseen, muutoksiin sademäärien jakautumisessa ja muissa ilmastovaikutuksissa sekä vakaviin ekologisiin ja sosioekonomisiin vahinkoihin.
kiinteän energian talousarviot
ekologinen energetiikka tarkastelee kiinteän, biologisen energian muutoksia yhteisöissä ja ekosysteemeissä, erityisesti tapaa, jolla biologisesti kiinteä energia kulkee ravintoverkon läpi.
esimerkiksi New Yorkin osavaltiossa sijaitsevan luonnollisen tammimäntymetsän tutkimuksissa havaittiin, että kasvillisuus vahvisti aurinkoenergiaa, joka vastasi 11 500 kilokaloria hehtaaria kohti vuodessa (103 Kcal/ha/v). Kasvien hengityksessä hyödynnettiin kuitenkin 6,5× 103 Kcal/ha/v, joten todellinen energian nettokertymä ekosysteemiin oli 5.0× 103 Kcal / ha / v. Metsän eri heterotrofiset eliöt käyttivät hengityksensä tukena toista 3,0× 103 Kcal/ha/v, joten verkko
AVAINTERMIT
sähkömagneettinen energia— energiatyyppi, johon kuuluu fotoneja, joilla on sekä hiukkasten että aaltojen fysikaalisia ominaisuuksia. Sähkömagneettinen energia jaetaan spektrikomponentteihin, joita (järjestyksessä pitkältä lyhyelle aallonpituudelle) ovat radio, infrapuna, näkyvä valo, ultravioletti ja kosminen.
Entropia-satunnaisuustaipumuksen ja häiriötaipumuksen mittaus.
biomassan kertyminen ekosysteemin kaikille eliöille vastasi 2, 0 x 103 Kcal / ha / v.
edellinen on esimerkki kiinteästä energiabudjetista ekosysteemitasolla. Joskus ekologit kehittävät energiabudjetteja väestön tasolla ja jopa yksilöille. Esimerkiksi ympäristöolosuhteista ja mahdollisuuksista riippuen yksittäiset kasvit tai eläimet voivat optimoida kuntonsa kohdistamalla energiavaransa erilaisiin toimintoihin, yksinkertaisimmillaan yksilön kasvuun tai lisääntymiseen.
biologiset energiabudjetit ovat kuitenkin tyypillisesti paljon monimutkaisempia. Esimerkiksi kasvi voi vaihtelevasti kohdistaa energiansa pidempien varsien ja useampien lehtien tuotantoon parantaakseen auringonvalon saantiaan, tai se voi kasvaa pidemmäksi ja lisätä juuria parantaakseen maaperän ravinteiden saantiaan, tai lisätä kukkia ja siemeniä lisääntymistodennäköisyyden lisäämiseksi. On olemassa muitakin mahdollisia kohdentamisstrategioita, mukaan lukien jokin edellisten yhdistelmä.
vastaavasti karhun on tehtävä päätöksiä aikansa ja energiansa jakamisesta. Sen täytyy päättää lepäämiseen liittyvistä toiminnoista, joko päiväsaikaan tai pidempiaikaisena horroksena, kasvi-tai eläinravinnon metsästämisestä, puolison etsimisestä, pentujen hoitamisesta tai vain hauskanpidosta, kuten villikarhujen tiedetään tekevän.
Katso myös Energy transfer; Food chain/web.