에너지의 형태
에너지 변환과 열역학 법칙
물리적 에너지 예산
고정 에너지 예산
자원
에너지 예산은 에너지 변환의 입력,출력 및 시스템의 변화에 대한 분석을 포함하여 일부 정의 된 시스템 내에서 한 상태에서 다른 상태로 변환되는 방식을 설명합니다.수량 저장. 생태 에너지 예산은 생물권 또는 그 구성 요소에서 에너지의 사용 및 변환에 중점을 둡니다.
태양 전자기 복사는 지구에 에너지의 주요 입력입니다. 이 외부 에너지 원은 지구를 가열하고 물 증발 시키며 대기와 바다를 순환시키고 생태 학적 과정을 유지하는 데 도움이됩니다. 궁극적으로,지구에 의해 흡수 된 모든 태양 에너지는 원래 흡수 된 것보다 더 긴 파장의 전자기 방사선으로 우주로 다시 방사됩니다. 지구는 전자기 에너지의 입력과 출력 사이에 거의 완벽한 에너지 균형을 유지합니다.
지구 생태계는 태양 복사를 녹색 식물과 같은 광합성 독립 영양 생물이 이산화탄소와 물 같은 무기 분자로부터 당과 같은 단순한 유기 분자를 합성하는 데 활용할 수있는 확산 에너지의 외부 공급원으로 의존한다. 식물은 이러한 간단한 유기 화합물의 고정 에너지와 무기 영양소를 사용하여 다양한 대사 반응을 통해 엄청난 다양성의 생화학 물질을 합성합니다. 식물은 그들의 성장 및 재생산을 달성하기 위하여 포함하는 에너지 및 이 생화확을 이용합니다. 더욱이,식물 생물 덩어리는 자신의 에너지를 고칠 수없는 엄청난 수의 종속 영양 생물에 의해 직접 또는 간접적으로 음식으로 활용됩니다. 이 유기체에는 식물을 먹는 초식 동물,동물을 먹는 육식 동물,죽은 바이오 매스를 먹는 해로운 동물이 포함됩니다.
전 세계적으로,이 생태 학적 목적을 위해 태양 에너지를 사용하는 것은 상대적으로 적으며 지구 표면에서받은 양의 1%미만을 차지합니다. 이것은 지구 에너지 예산의 정량적으로 사소한 부분이지만,이것은 모든 생태 과정에 보조금을 지급하는 흡수되고 생물학적으로 고정 된 에너지이기 때문에 분명히 질적으로 매우 중요합니다.
에너지의 형태
에너지는 신체 또는 시스템이 일을 할 수있는 능력 또는 잠재적 능력으로 정의됩니다. 에너지는 1 그램의 순수한 물 온도를 섭씨 1 도 올리는 데 필요한 에너지 양으로 정의되는 칼로리와 같은 다양한 단위로 측정 할 수 있습니다. (영양사의 열량은 이 열량의 천개,또는 1 킬로칼로리와 동등하다는 것을 주의하십시오. 주울(제이)은 또 다른 에너지 단위입니다. 한 줄 일반적으로 지구의 표면에 1 킬로그램 10 센티미터의 무게를 들어 올리는 데 필요한 작업의 양으로 정의 됩니다. 그것은 0.24 칼로리에 해당합니다.
에너지는 다양한 상태로 존재할 수 있으며,모두 다양한 종류의 물리적/화학적 변형을 통해 상호 교환 가능합니다. 에너지의 기본 범주는 다음과 같습니다: 전자기,운동 및 잠재력이 있지만 이들 각각은 다양한 상태에서도 존재할 수 있습니다.
전자기 에너지는 광자의 에너지 또는 입자와 파동의 특성을 가지고 있으며 초당 약 3,000 미터(즉,빛의 속도)의 일정한 속도로 공간의 진공을 통과하는 에너지의 양자입니다. 전자기 에너지의 성분은 가장 짧은 것에서 가장 긴 파장에 주문된 파장 범위를 기준으로 하여 알려지는 성격을 나타냅니다:감마,엑스레이,자외선,빛 또는 눈에 보이는,적외선,및 라디오. 절대 영도보다 큰 온도를 가진 모든 몸체(즉,-459 켈빈 스케일에서 0 도)는 표면 온도에 의해 엄격하게 결정되는 속도와 스펙트럼 품질로 전자기 에너지를 방출합니다. 상대적으로 뜨거운 몸체는 훨씬 더 큰 방출 속도를 가지며 방사선은 더 차가운 몸체에 비해 더 짧은 파장에 의해 지배됩니다. 태양의 표면 온도의 약 11,000°F(6,093°C). 대부분의 방사선은 가시 광선(0.4~0.7 미터 또는 마이크로 미터)과 단파 적외선(0.7~2)의 파장 범위에 있습니다.0æm),하는 동안 지구에 있는 표면 온도의 약 77°F(25°C)및 방사선 봉우리에서 더 이상 파 적외선 범위에서 약 10æm.
운동 에너지는 동적 운동의 에너지이며,그 중 움직이는 몸의 에너지와 진동하는 원자 또는 분자의 두 가지 기본 유형이 있습니다. 나중에 일컬어 열 에너지 및 더 활기찬 진동,더 중대한 열 내용입니다.
잠재에너지는 일을 할 수 있는 능력을 가지고 있지만 그렇게 하기 위해서는 동원되어야 한다. 잠재적 인 에너지는 다양한 형태로 발생합니다. 화학적 위치 에너지는 분자의 원자 간 결합에 저장됩니다. 이 에너지는 에너지의 순 방출을 갖는 소위 발열 반응에 의해 해방 될 수 있습니다. 예를 들면,열은 황하물 무기물의 화학적으로 감소된 황이 황산염에 산화될 때,그리고 크리스탈 염화 나트륨이 물으로 녹을 때 풀어 놓입니다. 모든 생화학 물질은 또한 탄수화물 그램 당 4.6 킬로 칼로리,단백질 4.8 킬로 칼로리,지방 6.0~9.0 킬로 칼로리/그램에 해당하는 잠재적 에너지를 저장합니다.
중력위치에너지는 물이 바다 표면 위에서 발생하거나 어떤 물체가 지상 표면 위에서 발생했을 때와 같이 중력적으로 매력적인 표면 위로 상승된 질량 속에 저장된다. 방해받지 않는 한,물은 자발적으로 내리막 길로 흐르고,물체는 중력 위치 에너지의 기울기에 반응하여 아래쪽으로 떨어집니다. 다른 유형의 전위 에너지는 생태 에너지 예산 측면에서 다소 덜 중요하지만 압축 가스의 전위 에너지,전압 차이와 관련된 전기 전위 기울기 및 핵 반응에 의해 방출 될 수있는 물질의 전위 에너지를 포함합니다.
에너지 변환과 열역학 법칙
앞에서 언급한 바와 같이,에너지는 다양한 상태들 사이에서 변형될 수 있다. 예를 들어 전자기 에너지는 어두운 물체에 흡수되어 열 운동 에너지로 변환 될 수 있습니다. 이 작용은 흡수 체의 온도를 증가시킵니다. 또 다른 예로,고원 위의 물의 중력 에너지는 폭포에서 물이나 열을 움직이는 물 운동 에너지로 변환되거나 인간이 터빈을 구동하고 전기 에너지를 생성하기 위해 동원 될 수 있습니다. 셋째,태양 전자기 복사는 녹색 식물의 엽록소에 의해 흡수 될 수 있으며,흡수 된 에너지 중 일부는 당의 화학적 위치 에너지로 변환 될 수 있고 나머지는 열로 변환 될 수 있습니다.
에너지의 모든 변환은 열역학 법칙으로 알려진 특정 물리적 원리에 따라 발생해야합니다. 이들은 보편적인 법률;즉 그들은 항상 사실,상황에 관계 없이. 첫 번째 법칙은 에너지가 다양한 상태들 사이에서 변형을 겪을 수 있지만 결코 창조되거나 파괴되지 않으므로 우주의 에너지 함량은 일정하게 유지됩니다. 에너지 예산에 대한이 법칙의 결과는 시스템에 대한 에너지 입력,에너지 출력 및 시스템 내의 모든 순 저장소 사이에 항상 제로 균형이 있어야한다는 것입니다.
열역학 제 2 법칙은 에너지의 변환은 우주의 엔트로피가 증가하는 조건에서만 자발적으로 일어날 수 있다고 말한다. (엔트로피는 물질 및 에너지 분포의 임의성과 관련이 있습니다). 예를 들어,지구는 주로 가시 광선 및 근적외선 파장의 태양 복사에 의해 지속적으로 조사됩니다. 이 에너지 중 일부는 흡수되어 지구 표면을 가열합니다. 행성은 다양한 방법으로 스스로를 냉각 시키지만 궁극적으로 이것은 자신의 전자기 복사를 더 긴 파 적외선으로 다시 우주로 방출함으로써 수행됩니다. 지구에 의해 방출되는 긴 파 방사선에 상대적으로 단파 태양 복사의 변환은 에너지의 품질의 저하,그리고 우주의 엔트로피의 증가를 나타냅니다.
열역학 제 2 법칙의 결과 또는 2 차 명제는 에너지의 초기 내용 중 일부는 엔트로피가 증가 될 수 있도록 열로 변환되어야하기 때문에 에너지 변환이 완전히 효율적이지 않을 수 있다는 것입니다. 궁극적으로 이것은 가솔린의 에너지 함량의 약 30%이상이 움직이는 자동차의 운동 에너지로 변환 될 수있는 이유입니다. 또한 석탄 에너지의 약 40%이상이 현대 발전소에서 전기로 변환 될 수있는 이유이기도합니다. 마찬가지로,녹색 식물 수 광합성 변환 가시 광선 생화학,심지어 생태계에 영양분,물,및 공간에 관련 된 생태 제약에 최적화 된 효율성에 상한이 있다.흥미롭게도 식물은 태양에 의해 방출되는 가시 방사선을 흡수하고이 상대적으로 분산 된 에너지를 사용하여 이산화탄소,물 및 기타 영양소와 같은 단순한 무기 분자를 매우 복잡하고 에너지 밀도가 높은 생화학 물질로 고정합니다. 종속 영양 생물은 식물 바이오 매스의 생화학 물질을 사용하여 자신의 복잡한 생화학 물질을 합성합니다. 국부적으로,이러한 다양한 생물학적 합성은 그것을 증가시키기보다는 엔트로피를 실질적으로 감소시키는 에너지 변환을 나타낸다. 이것은 상대적으로 분산 된 태양 에너지와 단순한 화합물이 살아있는 유기체의 복잡한 생화학 물질에 집중되기 때문에 발생합니다.
생물학적 변형은 열역학 제 2 법칙에 순종하지 않습니까? 이 삶의 물리적 역설은 다음과 같은 논리를 사용하여 성공적으로 합리화 될 수 있습니다: 부정적인 엔트로피의 국소화 된 생체 집중은 태양 복사의 형태로 시스템에 일정한 에너지 입력이 있기 때문에 발생할 수 있습니다. 이 외부 에너지 원이 종결되면 유기체와 유기물의 모든 부정적인 엔트로피가 자발적으로 분해되어 열과 단순한 무기 분자를 생성하여 우주의 엔트로피를 증가시킵니다. 이것이 생명과 생태계가 태양 에너지의 지속적인 입력 없이는 생존 할 수없는 이유입니다. 따라서 생물권은 외부(태양)에너지 원에 의해 연료가 공급되는 부정적인 엔트로피의 공간과 시간에 지역화 된 섬을 나타내는 것으로 간주 될 수 있습니다. 이러한 생태 학적 상황에 물리적 유사체가 있습니다—외부 에너지가 시스템에 투입되면 상대적으로 분산 된 가스 분자가 용기에 집중 될 수 있으며,사람이 풍선을 공기로 채우기 위해 정력적으로 불 때 발생합니다. 그러나 결국 풍선이 터지고 가스가 다시 분산되고 원래의 에너지 입력이 열로 변환되고 우주의 엔트로피가 증가합니다.
물리적 에너지 예산
물리적 에너지 예산은 특정 정의 된 시스템을 고려한 다음 에너지의 입력,다양한 변환 및 저장 및 최종 출력을 분석합니다. 이 개념은 지구의 에너지 예산을 참조하여 설명 할 수 있습니다.
지구에 에너지의 주요 입력 태양 전자기 에너지로 발생 합니다. 지구 대기의 외부 한계에서,태양 복사의 평균 입력 속도는 분당 센티미터 2 당 2.00 칼로리입니다(이 플럭스는 태양 상수로 알려져 있습니다). 이 에너지 입력의 약 절반은 가시 방사선으로,절반은 근적외선으로 발생합니다. 앞서 언급 한 바와 같이,지구는 또한 자신의 전자기 방사선을 방출,다시 2.00 칼로리/센티미터/분의 속도로,하지만 더 긴 파 적외선에서 피크 스펙트럼,에 대한 10 제곱미터. 에너지 입력 속도가 출력 속도와 같기 때문에 에너지의 순 저장량이 없으며 지구 표면 온도에 실질적인 장기 변화가 없습니다. 따라서 지구는 제로섬,에너지 흐름 시스템을 나타냅니다. (사실,지질 학적 시간이 지남에 따라 결국 화석 연료로 지질 학적으로 변환 아래 구성 바이오 매스의 축적으로 발생하는 에너지의 작은 저장이 있었다. 또한 기후 변화를 나타내는 지구 온도 표면의 사소하고 장기적인 변화가 있습니다. 그러나,이러한 제로섬,흐름 시스템을 통해 에너지에 대 한 지구에 대 한 앞의 문을 양적으로 사소한 예외를 나타냅니다.)지구에 의해 방출되는 에너지의 양은 결국 흡수되는 태양 복사의 양과 동일하지만,이 두 사건 사이에 발생하는 생태 학적으로 중요한 변형이 있습니다.
지구가 태양 복사를 다루는 가장 중요한 방법은 다음과 같다.:
- 입사 태양 에너지의 평균 약 30%는 지구 대기 또는 표면에 의해 우주 공간으로 반사됩니다. 이 과정은 태양 각,구름 덮개 및 대기 미립자의 양에 의해 강하게 영향을받는 지구의 알베도와 관련이 있으며,지구 표면의 특성,특히 물(얼음 포함)및 초목 덮개의 종류와 양에 의해 덜 영향을받습니다.
- 입사 에너지의 약 25%는 대기 가스,증기 및 미립자에 의해 흡수되어 열 또는 열 운동 에너지로 변환 된 다음 더 긴 파장의 적외선으로 재 방사됩니다.
- 입사 방사선의 약 45%는 살아있는 물질과 비 살아있는 물질에 의해 지구 표면에서 흡수되고 열 에너지로 변환되어 흡수 표면의 온도를 증가시킵니다. 장기(즉,년)및 중기(즉,일)에 걸쳐 열 저장이 거의 또는 전혀 없습니다. 거의 모든 흡수 된 에너지는 표면에 의해 장파 적외선 에너지로 재 방사되며 파장 피크는 약 10~100 미터입니다.
- 표면의 열 에너지의 일부는 물 식물과 비 생활 표면에서 증발(증발산에 항목을 참조),또는 얼음 또는 눈이 녹아 발생합니다.
- 지구 표면에 열에너지가 고르지 않게 분포되어 있기 때문에,흡수된 방사선의 일부는 수체 표면에 바람,물류류,파도와 같은 대량 수송,분배 과정을 유도한다.
- 매우 작음(평균 0 미만.1%)그러나 들어오는 태양 에너지의 생태 학적으로 중요한 부분은 식물의 엽록소에 의해 흡수되고,광합성을 구동하는 데 사용됩니다. 이 광 독립 영양 고정은 태양 에너지의 일부를 생화학 물질의 잠재적 에너지에 일시적으로 저장하고 지구상의 생명체의 에너지 기반 역할을 할 수있게합니다.
지구 대기의 특정 가스는 두 번째 및 세 번째 소산 메커니즘(위에 나열된)에서 가열 된 물질에 의해 방출되는 유형의 장파 적외선 에너지를 흡수합니다. 이 흡수는 가스를 가열 한 다음 다른 재 방사를 거쳐 지구 표면으로 돌아가는 것을 포함하여 모든 방향으로 더 긴 파장의 적외선 에너지를 방출합니다. 대기 중 소위 복사 활성 가스 중 가장 중요한 것은 물 과 이산화탄소,그러나 미량 가스 메탄,아산화 질소,오존 및 클로로 플루오로 카본 또한 중요합니다. 온실 효과로 알려진이 현상은 지구 표면의 복사 냉각 속도를 크게 방해합니다.
만약 온실효과가 없고 지구의 대기가 장파 적외선에 완전히 투명하다면,표면 온도는 평균 17.6 정도일 것이다. 자연 발생 온실 효과는 지구의 평균 표면 온도를 약 60 화씨 온도보다 더 따뜻하게 유지하기 때문에 약 77 화씨 온도(25 섭씨 온도)에서 지구의 거주 가능성에 분명히 중요한 요소입니다. 그러나,인간의 활동은 복사 활성 가스의 일부의 대기 농도를 증가 가져왔다,이 지구의 온실 효과의 강화를 일으킬 수 있다는 우려가있다. 이것은 지구 온난화,강우 분포 및 기타 기후 영향의 변화,심각한 생태 및 사회 경제적 손해로 이어질 수 있습니다.
고정 에너지 예산
생태 에너지학은 지역 사회와 생태계 내에서 고정 된 생물학적 에너지의 변형,특히 생물학적으로 고정 된 에너지가 식량 웹을 통과하는 방식을 조사합니다.
예를 들어,뉴욕주의 천연 참나무 소나무 숲에 대한 연구에 따르면 식물은 연간 헥타르 당 11,500 킬로 칼로리(103 킬로 칼로리/헥타르/년)에 해당하는 태양 에너지를 고정 시켰습니다. 그러나 식물 호흡은 6.5 킬로 칼로리/하/년을 사용했기 때문에 생태계의 실제 순 에너지 축적은 5 였습니다.103 킬로 칼로리/하/예멘 아랍 공화국. 숲에서 종속 영양 생물의 다양한 유형은 자신의 호흡을 지원하기 위해 또 다른 3.0,000,000 킬로 칼로리/하/년을 활용,그래서 그물
주요 용어
전자기 에너지-에너지의 유형,광자를 포함하는,입자와 파도 모두의 물리적 특성을 가지고. 전자기 에너지는 라디오,적외선,가시 광선,자외선 및 우주를 포함하는 스펙트럼 구성 요소(긴 파장에서 짧은 파장으로 정렬)로 나뉩니다.
엔트로피-증가 된 무작위성 및 장애에 대한 경향의 측정.
생태계의 모든 유기체에 의한 바이오 매스의 축적은 2.0 엑스 103 킬로 칼로리/하/년에 해당했다.
앞은 생태계 수준의 고정 에너지 예산의 예입니다. 때때로 생태 학자들은 인구 수준,심지어 개인을 위해 에너지 예산을 개발합니다. 예를 들어,환경 적 상황과 기회에 따라 개별 식물이나 동물은 에너지 자원을 다양한 활동,가장 간단하게 개인의 성장 또는 번식에 할당함으로써 자신의 적합성을 최적화 할 수 있습니다.
그러나 생물 에너지 예산은 일반적으로 훨씬 더 복잡합니다. 예를 들어,식물은 햇빛에 대한 접근을 개선하기 위해 더 긴 줄기와 더 많은 잎의 생산에 에너지를 다양하게 할당 할 수 있으며,토양 영양소에 대한 접근성을 높이기 위해 더 길고 더 많은 뿌리를 자랄 수 있으며,성공적인 번식의 확률을 높이기 위해 더 많은 꽃과 씨앗을 재배 할 수 있습니다. 앞의 조합을 포함하여 다른 가능한 할당 전략이 있습니다.
마찬가지로 곰은 시간과 에너지 할당에 대한 결정을 내려야합니다. 그것은 휴식과 관련된 활동을 결정해야합니다,하루 또는 장기 최대 절전 모드 중 하나,식물이나 동물 식품에 대한 사냥,짝을 추구,새끼를 돌보는,아니면 그냥 재미,야생 곰이 할 것으로 알려져 있습니다로.
에너지 전달 참조;먹이 사슬/웹.