formy energii
transformacje energii i prawa termodynamiki
budżety energii fizycznej
budżety energii stałej
zasoby
budżet energii opisuje sposoby, w jakie energia jest przekształcana z jednego stanu w inny w określonym systemie, w tym analizę wejść, wyjść i zmian w przechowywanych ilościach. Budżety na energię ekologiczną koncentrują się na wykorzystaniu i przekształceniach energii w biosferze lub jej składnikach.
promieniowanie elektromagnetyczne słońca jest głównym źródłem energii dla Ziemi. To zewnętrzne źródło energii pomaga ogrzać planetę, odparowywać wodę, cyrkulować atmosferę i oceany oraz podtrzymywać procesy ekologiczne. Ostatecznie cała energia słoneczna pochłonięta przez Ziemię jest ponownie wypromieniowywana z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną, jako promieniowanie elektromagnetyczne o dłuższej długości fali niż to, co zostało pierwotnie zaabsorbowane. Ziemia utrzymuje praktycznie doskonałą równowagę energetyczną pomiędzy wejściami i wyjściami energii elektromagnetycznej.
ekosystemy Ziemi zależą od promieniowania słonecznego jako zewnętrznego źródła rozproszonej energii, która może być wykorzystana przez fotosyntetyczne autotrofy, takie jak zielone rośliny, do syntezy prostych cząsteczek organicznych, takich jak cukry, z cząsteczek nieorganicznych, takich jak dwutlenek węgla i woda. Rośliny wykorzystują stałą energię tych prostych związków organicznych, a także nieorganicznych składników odżywczych, do syntezy ogromnej różnorodności biochemikaliów poprzez różne reakcje metaboliczne. Rośliny wykorzystują te biochemikalia i energię, którą zawierają, aby osiągnąć ich wzrost i reprodukcję. Co więcej, bio-masa roślin jest bezpośrednio lub pośrednio wykorzystywana jako pokarm przez ogromną liczbę organizmów heterotroficznych, które nie są w stanie naprawić własnej energii. Organizmy te obejmują roślinożerców, które jedzą rośliny, mięsożerców, które jedzą zwierzęta, i detritivores, które żywią się martwą biomasą.
na całym świecie wykorzystanie energii słonecznej do tego ekologicznego celu jest stosunkowo niewielkie, stanowiąc znacznie mniej niż 1% ilości otrzymywanej na powierzchni Ziemi. Chociaż jest to ilościowo trywialna część budżetu energetycznego Ziemi, jest to oczywiście bardzo ważne jakościowo, ponieważ jest to pochłonięta i biologicznie ustalona energia, która dofinansowuje wszystkie procesy ekologiczne.
formy energii
energia jest zdefiniowana jako zdolność lub potencjalna zdolność ciała lub systemu do pracy. Energia może być mierzona w różnych jednostkach, takich jak kaloria, zdefiniowana jako ilość energii potrzebnej do podniesienia temperatury jednego grama czystej wody o jeden stopień Celsjusza. (Należy pamiętać, że kaloryczność dietetyka odpowiada tysiącowi tych kalorii, czyli jednej kilokalorii.) Dżul (J) jest kolejną jednostką energii. Jeden dżul jest ogólnie definiowany jako ilość pracy wymaganej do podniesienia ciężaru 1 kg o 10 cm na powierzchni Ziemi. Odpowiada 0,24 kalorii. Ponadto jedna kaloria (mała kaloria)jest równa około 4,184 J.
energia może istnieć w różnych stanach, z których wszystkie są wymienne poprzez różnego rodzaju przemiany fizyczne/chemiczne. Podstawowe kategorie energii to: elektromagnetyczny, kinetyczny i potencjalny, ale każdy z nich może również istnieć w różnych stanach.
energia elektromagnetyczna to energia fotonów lub kwantów energii, które mają właściwości zarówno cząstek, jak i fal, i które podróżują przez próżnię przestrzeni ze stałą prędkością około 3× 108 metrów na sekundę (to jest z prędkością światła). Składowe energii elektromagnetycznej charakteryzują się na podstawie zakresów długości fal, które uporządkowane od najkrótszych do najdłuższych długości fal są znane jako: gamma, X ray, ultrafiolet, światło lub widzialne, podczerwień i radio. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego (czyli -459°F , czyli zero stopni w skali Kelvina ) emitują energię elektromagnetyczną z szybkością i jakością spektralną, która jest ściśle określona przez temperaturę ich powierzchni. Relatywnie gorące ciała mają znacznie większe wskaźniki emisji, a ich promieniowanie jest zdominowane przez krótsze długości fal, w porównaniu z ciałami chłodniejszymi. Słońce ma temperaturę powierzchni około 11 000°F (6 093°c). Większość jego promieniowania znajduje się w zakresie długości fali światła widzialnego (0,4 do 0,7 µm lub mikrometrów) i krótkofalowej podczerwieni (0,7 do 2.0 æm), podczas gdy temperatura powierzchni Ziemi wynosi około 77°F (25°C), a jej piki promieniowania w zakresie podczerwieni o dłuższej fali wynoszą około 10 æm.
energia kinetyczna to energia dynamicznego ruchu, której istnieją dwa podstawowe typy, energia poruszających się ciał i energia wibrujących atomów lub cząsteczek. Im później znana jest również jako energia cieplna, a im bardziej energiczne wibracje, tym większa zawartość ciepła.
energia potencjalna ma zdolność do pracy, ale musi być zmobilizowana do tego. Energia potencjalna występuje w różnych formach. Chemiczna energia potencjalna jest przechowywana w wiązaniach międzyatomowych cząsteczek. Energia ta może być wyzwolona przez tak zwane reakcje egzotermiczne, które mają netto uwolnienie energii. Na przykład ciepło jest uwalniane, gdy chemicznie zredukowana Siarka minerałów siarczkowych utlenia się do siarczanu, a krystaliczny chlorek sodu rozpuszcza się w wodzie. Wszystkie biochemikalia przechowują również energię potencjalną, co odpowiada 4,6 kilokalorii na gram węglowodanów, 4,8 Kcal/g białka i 6,0 do 9,0 Kcal/g tłuszczu.
energia potencjalna grawitacyjna jest przechowywana w masie, która jest wyniesiona ponad jakąś atrakcyjną grawitacyjnie powierzchnię, tak jak wtedy, gdy woda występuje nad powierzchnią oceanów lub jakikolwiek obiekt występuje nad powierzchnią ziemi. Jeśli nie jest zablokowana, woda spontanicznie spływa w dół, a obiekty spadają w dół w odpowiedzi na gradienty grawitacyjnej energii potencjalnej. Inne rodzaje energii potencjalnej są nieco mniej ważne z punktu widzenia budżetów energii ekologicznej, ale obejmują one potencjalne Energie sprężonych gazów, gradienty potencjału elektrycznego związane z różnicami napięcia i energię potencjalną materii, która może być uwalniana przez reakcje jądrowe.
przemiany energii i prawa termodynamiki
jak wspomniano wcześniej, energia może być przekształcana między różnymi stanami. Na przykład energia elektromagnetyczna może być pochłaniana przez ciemny obiekt i przekształcana w termiczną energię kinetyczną. Działanie to powoduje wzrost temperatury ciała absorbującego. Jako inny przykład, grawitacyjna energia potencjalna wody wysoko na płaskowyżu może być przekształcona w energię kinetyczną poruszania się wody i ciepła w wodospadie, lub może być zmobilizowana przez ludzi do napędzania turbiny i generowania energii elektrycznej. Po trzecie, słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne może być absorbowane przez chlorofil zielonych roślin, a część zaabsorbowanej energii można przekształcić w chemiczną energię potencjalną cukrów, a resztę przekształcić w ciepło.
wszystkie przemiany energii muszą następować zgodnie z pewnymi zasadami fizycznymi, znanymi jako prawa termodynamiki. Są to prawa uniwersalne, co oznacza, że są one zawsze prawdziwe, niezależnie od okoliczności. Pierwsze prawo mówi, że energia może ulegać przemianom między różnymi stanami, ale nigdy nie jest tworzona ani niszczona—więc zawartość energii we wszechświecie pozostaje stała. Konsekwencją tego prawa dla budżetów energetycznych jest to, że zawsze musi istnieć zerowa równowaga między wejściami energii do systemu, wyjściami energii i wszelkimi magazynami netto w systemie.
drugie prawo termodynamiki mówi, że przemiany energii mogą następować spontanicznie tylko w warunkach, w których następuje wzrost entropii wszechświata. (Entropia jest związana z przypadkowością rozkładów materii i energii). Na przykład Ziemia jest stale napromieniowywana przez promieniowanie słoneczne, głównie o długości fali widzialnej i bliskiej podczerwieni. Część tej energii jest pochłaniana, co ogrzewa powierzchnię ziemi. Planeta chłodzi się na różne sposoby, ale ostatecznie odbywa się to poprzez wypromieniowanie własnego promieniowania elektromagnetycznego z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną, jako długofalowe promieniowanie podczerwone. Transformacja stosunkowo krótkofalowego promieniowania słonecznego w promieniowanie długofalowe emitowane przez Ziemię oznacza degradację jakości energii i wzrost entropii wszechświata.
następstwem drugiej zasady termodynamiki jest to, że transformacje energii nigdy nie mogą być całkowicie efektywne, ponieważ część początkowej zawartości energii musi zostać zamieniona na ciepło, aby Entropia mogła zostać zwiększona. Ostatecznie jest to powód, dla którego nie więcej niż około 30% zawartości energii w benzynie można przekształcić w energię kinetyczną poruszającego się samochodu. To również powód, dla którego nie więcej niż około 40% energii z węgla można przekształcić w energię elektryczną w nowoczesnej elektrowni. Podobnie, istnieją górne granice wydajności, dzięki którym zielone rośliny mogą fotosyntetycznie przekształcać promieniowanie widzialne w biochemikalia, nawet w ekosystemach, w których optymalizowane są ograniczenia ekologiczne związane z składnikami odżywczymi, wodą i przestrzenią.
co ciekawe, rośliny pochłaniają promieniowanie widzialne emitowane przez słońce i wykorzystują tę stosunkowo rozproszoną energię do mocowania prostych cząsteczek nieorganicznych, takich jak dwutlenek węgla, woda i inne składniki odżywcze do bardzo złożonych i gęstych energetycznie biochemikaliów. Organizmy heterotroficzne następnie użyć biochemikalia biomasy roślinnej do syntezy własnych złożonych biochemikalia. Lokalnie, te różne syntezy biologiczne reprezentują transformacje energetyczne, które znacznie zmniejszają entropię, a nie ją zwiększają. Dzieje się tak, ponieważ stosunkowo rozproszona energia słoneczna i proste związki są skupione w złożonych biochemicznych organizmów żywych.
czy przemiany biologiczne nie spełniają drugiego prawa termodynamiki? Ten pozorny fizyczny paradoks życia można z powodzeniem zracjonalizować, stosując następującą logikę: Miejscowa biocentralizacja ujemnej entropii może wystąpić, ponieważ do układu jest stale wprowadzana energia w postaci promieniowania słonecznego. Gdyby to zewnętrzne źródło energii zostało zlikwidowane, to cała negatywna Entropia organizmów i materii organicznej raczej szybko uległaby spontanicznej degradacji, wytwarzając ciepło i proste cząsteczki nieorganiczne, a tym samym zwiększając entropię wszechświata. Dlatego życie i ekosystemy nie mogą przetrwać bez ciągłego dostarczania energii słonecznej. Dlatego biosferę można uznać za zlokalizowaną wyspę, w przestrzeni i czasie, o ujemnej entropii, zasilaną przez zewnętrzne (słoneczne) źródło energii. Istnieją fizyczne analogie do tych warunków ekologicznych-jeśli energia zewnętrzna jest wprowadzana do systemu, stosunkowo rozproszone cząsteczki gazów mogą być skoncentrowane w pojemniku, jak to ma miejsce, gdy osoba wieje energicznie, aby wypełnić balon powietrzem. Ostatecznie jednak balon wyskakuje, gazy ponownie się rozpraszają, pierwotna energia wejściowa jest zamieniana na ciepło, a Entropia wszechświata wzrasta.
budżety energii fizycznej
budżety energii fizycznej rozważają konkretny, zdefiniowany system, a następnie analizują wejścia energii, jej różne transformacje i magazyny oraz ewentualne wyjścia. Pojęcie to można zilustrować poprzez odniesienie do budżetu energetycznego Ziemi.
główny wkład energii do Ziemi występuje jako energia elektromagnetyczna słońca. Przy zewnętrznych granicach ziemskiej atmosfery średnia prędkość promieniowania słonecznego wynosi 2,00 kalorii na cm2 na minutę (strumień ten jest znany jako stała słoneczna). Około połowa tej energii pochodzi z promieniowania widzialnego, a połowa z bliskiej podczerwieni. Jak wspomniano wcześniej, Ziemia emituje również własne promieniowanie elektromagnetyczne, ponownie z szybkością 2,00 cal / cm2 / min, ale z widmem, które osiąga szczyt w podczerwieni o dłuższej fali, około 10 æm. Ponieważ szybkość wprowadzania energii jest równa szybkości produkcji, nie ma magazynowania energii netto ani istotnej, długotrwałej zmiany temperatury powierzchni Ziemi. Dlatego Ziemia reprezentuje zerową sumę, system przepływu energii. (W rzeczywistości, w czasie geologicznym doszło do niewielkiego magazynowania energii, występującego jako akumulacja niedostatecznie złożonej biomasy, która ostatecznie przekształca się geologicznie w paliwa kopalne. Istnieją również niewielkie, długoterminowe wahania temperatury powierzchni Ziemi, które reprezentują zmianę klimatu. Stanowią one jednak trywialne ilościowo wyjątki od poprzedniego stwierdzenia o Ziemi jako zerowym układzie przepływowym energii.) Chociaż ilość energii emitowanej przez Ziemię w końcu równa się ilości promieniowania słonecznego, które jest pochłaniane, istnieją pewne ekologicznie ważne przemiany, które zachodzą między tymi dwoma zdarzeniami.
najważniejsze sposoby, dzięki którym Ziemia radzi sobie ze swoim padającym promieniowaniem słonecznym, to:
- średnio około 30% energii słonecznej jest odbijana z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną przez atmosferę Ziemi lub jej powierzchnię. Proces ten jest związany z albedo Ziemi, na które duży wpływ ma kąt słoneczny, ilość pokrywy chmur i pyłów atmosferycznych, a w mniejszym stopniu charakter powierzchni ziemi, zwłaszcza rodzaje i ilość wody (w tym lodu) i pokrywy roślinnej.
- Około 25% energii padającej jest pochłaniane przez gazy atmosferyczne, pary i cząstki stałe, przekształcane w ciepło lub energię kinetyczną cieplną, a następnie ponownie wypromieniowywane jako promieniowanie podczerwone o dłuższej długości fali.
- około 45% padającego promieniowania jest absorbowane na powierzchni Ziemi przez żywe i nieożywione materiały i jest przekształcane w energię cieplną, zwiększając temperaturę powierzchni pochłaniających. W dłuższej perspektywie (czyli w latach), a nawet w perspektywie średnioterminowej (czyli w dniach) magazynowanie ciepła netto jest niewielkie lub nie ma go wcale. Praktycznie cała zaabsorbowana energia jest ponownie wypromieniowywana przez powierzchnię jako energia podczerwieni długofalowej, z długofalowym szczytem długości fali wynoszącym około 10 æm.
- część energii cieplnej powierzchni powoduje odparowanie wody z powierzchni roślinnych i nieożywionych (patrz wpis na temat ewapotranspiracji) lub powoduje stopienie się lodu lub śniegu.
- ze względu na nierównomierny rozkład energii cieplnej na powierzchni Ziemi, niektóre z pochłoniętych promieniowania napędzają procesy transportu masy, dystrybucji, takie jak wiatry, prądy wodne i fale na powierzchni zbiorników wodnych.
- bardzo mały (średnio mniej niż 0.1%), ale krytyczna ekologicznie część przychodzącej energii słonecznej jest absorbowana przez chlorofil roślin i jest wykorzystywana do napędzania fotosyntezy. Ta fotoautotroficzna fiksacja pozwala części energii słonecznej tymczasowo przechowywać w energii potencjalnej biochemikaliów i służyć jako energetyczna podstawa życia na Ziemi.
niektóre gazy w atmosferze ziemskiej pochłaniają długofalową energię podczerwoną typu, która jest wypromieniowywana przez podgrzaną materię w drugim i trzecim mechanizmie rozpraszania (wymienionym powyżej). Ta absorpcja ogrzewa gazy, które następnie ulegają ponownemu napromieniowaniu, emitując nawet dłuższą długość fali w podczerwieni we wszystkich kierunkach, w tym z powrotem na powierzchnię ziemi. Najważniejszymi z tak zwanych gazów promieniotwórczych w atmosferze są woda i dwutlenek węgla, ale znaczące są również gazy śladowe Metan, podtlenek azotu, ozon i chlorofluorowęglowodory. Zjawisko to, znane jako efekt cieplarniany, znacząco zakłóca szybkość radiacyjnego ochładzania powierzchni Ziemi.
gdyby nie było efektu cieplarnianego, a atmosfera ziemska byłaby w pełni przezroczysta dla długofalowego promieniowania podczerwonego, temperatury powierzchni byłyby średnio około 17,6°F (-8 ° C), O wiele za niskie, aby zachodziły procesy biologiczne. Ponieważ naturalnie występujący efekt cieplarniany utrzymuje średnią temperaturę powierzchni Ziemi o około 60 Stopni Fahrenheita cieplejszą niż ta, Przy około 77°F (25 ° C), jest to oczywiście ważny czynnik w mieszkalności planety. Jednak działalność człowieka doprowadziła do wzrostu stężenia w atmosferze niektórych gazów promieniotwórczych i istnieją obawy, że może to spowodować intensyfikację efektu cieplarnianego na Ziemi. Może to prowadzić do globalnego ocieplenia, zmian rozkładu opadów i innych skutków klimatycznych oraz poważnych szkód ekologicznych i społeczno-ekonomicznych.
budżety energii stałej
ekologiczna Energetyka bada przemiany energii stałej, biologicznej w społecznościach i ekosystemach, w szczególności sposób, w jaki energia stała biologicznie jest przekazywana przez sieć żywnościową.
na przykład badania naturalnego lasu dębowo-sosnowego w stanie Nowy Jork wykazały, że roślinność stała energia słoneczna równa 11 500 kilokalorii na hektar rocznie (103 Kcal/ha/rok). Jednak oddychanie roślin zużywało 6,5× 103 Kcal/ha/rok, więc rzeczywista akumulacja energii netto w ekosystemie wynosiła 5.0× 103 Kcal / ha / rok. Różne typy organizmów heterotroficznych w lesie wykorzystywały kolejne 3,0× 103 Kcal/ha / rok do wspierania ich oddychania, więc sieć
kluczowe pojęcia
energia elektromagnetyczna— rodzaj energii, z udziałem fotonów, które mają fizyczne właściwości zarówno cząstek, jak i fal. Energia elektromagnetyczna dzieli się na składniki widmowe, które (uporządkowane od długiej do krótkiej długości fali) obejmują radio, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet i Kosmos.
Entropia-pomiar tendencji do zwiększonej przypadkowości i zaburzeń.
nagromadzenie biomasy przez wszystkie organizmy ekosystemu wynosiło 2,0 x 103 Kcal / ha / rok.
poprzedni jest przykładem stałego budżetu na energię na poziomie ekosystemu. Czasami ekolodzy opracowują budżety energii na poziomie populacji, a nawet dla jednostek. Na przykład, w zależności od warunków środowiskowych i możliwości, poszczególne rośliny lub zwierzęta mogą zoptymalizować swoją sprawność, przeznaczając swoje zasoby energii na różne działania, najprościej, na wzrost jednostki lub na reprodukcję.
jednak budżety na energię biologiczną są zazwyczaj znacznie bardziej skomplikowane. Na przykład roślina może w różny sposób przeznaczyć swoją energię na produkcję dłuższych łodyg i więcej liści, aby poprawić dostęp do światła słonecznego, lub może wyhodować dłuższe i więcej korzeni, aby zwiększyć dostęp do składników odżywczych gleby, lub więcej kwiatów i nasion, aby zwiększyć prawdopodobieństwo udanej reprodukcji. Istnieją inne możliwe strategie alokacji, w tym pewna kombinacja poprzednich.
podobnie niedźwiedź musi podejmować decyzje dotyczące przydziału swojego czasu i energii. Musi decydować o działaniach związanych z odpoczynkiem, zarówno w ciągu dnia, jak i podczas długotrwałej hibernacji, polowaniem na pokarmy roślinne lub zwierzęce, szukaniem partnera, dbaniem o Młode lub po prostu zabawą, jak znane są dzikie niedźwiedzie.
Zobacz także transfer energii; łańcuch pokarmowy/www.