17/2/11

Ο Ήλιος ως πηγή ενέργειας χαμηλής εντροπίας (ή πως η βαρύτητα μειώνει την εντροπία)

Είναι ευρέως διαδεδομένη η λανθασμένη άποψη ότι η επιβίωσή μας εξαρτάται από την ενέργεια που παίρνουμε από τον Ήλιο. Αυτό είναι παραπλανητικό. Αυτή η ενέργεια μας είναι χρήσιμη μόνο αν παρέχεται σε μία μορφή με χαμηλή εντροπία.
Αν για παράδειγμα, ολόκληρος ο ουρανός ήταν φωτισμένος ομοιόμορφα, έχοντας κάποια ομοιόμορφη θερμοκρασία - είτε αυτή του Ήλιου ή οποιαδήποτε άλλη - τότε δε θα υπήρχε κανένας τρόπος για να εκμεταλλευτούμε αυτήν την ενέργεια (οποιοδήποτε είδος πλάσματος και αν υποθέσουμε ότι θα μπορούσε να εξελιχθεί με σκοπό να προσπαθήσει να τη χρησιμοποιήσει). Η παροχή ενέργειας στην κατάσταση θερμικής ισορροπίας είναι μάταιη. Ευτυχώς όμως ο Ήλιος είναι μια θερμή πηγή σε ένα ψυχρό υπόβαθρο. Κατά τη διάρκεια της ημέρας , η ενέργεια του Ήλιου φθάνει στη Γη, αλλά με το πέρασμα της ημέρας και της νύχτας επιστρέφει στο διάστημα. Το καθαρό ισοζύγιο ενέργειας είναι (κατά μέσο όρο) ότι επιστρέφουμε όλη την ενέργεια που λαμβάνουμε.
[Στην πραγματικότητα, συνολικά, η Γη επιστρέφει ελαφρώς περισσότερη ενέργεια από αυτή που λαμβάνει. Αγνοώντας το ζήτημα της ανθρώπινης καύσης των φυσικών καυσίμων, που επιστρέφει τελικά κάποια ενέργεια η οποία λήφθηκε από τον Ήλιο και αποθηκεύτηκε στη Γη πριν από πολλά εκατομμύρια χρόνια (και, στον αντίποδα, αγνοώντας την παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας λόγω του "φαινομένου του θερμοκηπίου" με το οποίο η Γη παγιδεύει λίγο περισσότερη από την ενέργεια του Ήλιου απ' ότι προηγουμένως), υπάρχει το φαινόμενο της θέρμανσης του εσωτερικού της Γης μέσω της ραδιενεργούς διάσπασης ορισμένων στοιχείων, αυτή η ενέργεια χάνεται βαθμιαία στο διάστημα μέσω της ατμόσφαιρας.]
Ωστόσο, η ενέργεια που λαμβάνουμε από τον Ήλιο έχει τη μορφή φωτονίων υψηλής ενέργειας (φωτόνια κίτρινου χρώματος, δηλαδή υψηλής συχνότητας λόγω υψηλής θερμοκρασίας του Ήλιου), ενώ η ενέργεια που επιστρέφει στο διάστημα έχει κυρίως τη μορφή φωτονίων χαμηλής ενέργειας (υπέρυθρου χρώματος, δηλαδή χαμηλής συχνότητας). Υπενθυμίζεται ότι η σχέση μεταξύ συχνότητας (f)  και της ενέργειας (E) των φωτονίων δίνεται από την εξίσωση
Ε = h f
όπου h η σταθερά του Planck.
Λόγω της υψηλότερης ενέργειάς τους (υψηλότερης θερμοκρασίας) τα φωτόνια που προέρχονται από τον Ήλιο είναι πολύ λιγότερα από τα φωτόνια που επιστρέφουν στο διάστημα, επειδή η συνολική ενέργεια που μεταφέρεται προς τη Γη και από τη Γη προς το διάστημα πρέπει να είναι η ίδια. Το μικρότερο πλήθος φωτονίων που προέρχονται από τον Ήλιο συνεπάγεται λιγότερους βαθμούς ελευθερίας και επομένως μικρότερη περιοχή στο φασικό χώρο και άρα μικρότερη εντροπία σε σχέση με αυτή που έχουν τα φωτόνια που επιστρέφουν στο διάστημα, επειδή η συνολική ενέργεια που μεταφέρεται προς τη Γη και από τη Γη προς το διάστημα πρέπει να είναι η ίδια. Το μικρότερο πλήθος φωτονίων που προέρχονται από τον Ήλιο συνεπάγεται λιγότερους βαθμούς ελευθερίας και επομένως μικρότερη περιοχή στο φασικό χώρο και άρα μικρότερη εντροπία σε σχέση με αυτή που έχουν τα φωτόνια που επιστρέφουν στο διάστημα. Τα φυτά χρησιμοποιούν αυτήν την ενέργεια χαμηλής εντροπίας κατά τη φωτοσύνθεση, μειώνοντας με τον τρόπο αυτό την εντροπία τους. Κατόπιν, εκμεταλλευόμαστε τα φυτά για να μειώσουμε τη δική μας εντροπία, χρησιμοποιώντας τα ίδια φυτά ως τροφή ή κάτι που τρέφεται από αυτά, καθώς και αναπνέοντας το οξυγόνο που απελευθερώνεται από τα φυτά.
Γιατί όμως ο Ήλιος είναι μια θερμή πηγή σε ψυχρό ουρανό; Αν και η λεπτομερής ιστορία είναι κάπως περίπλοκη, τελικά οφείλεται στο γεγονός ότι ο Ήλιος - όπως και όλοι οι υπόλοιποι αστέρες - προήλθε από τη βαρυτική συμπύκνωση μιας ομοιόμορφης ποσότητας αερίου (κυρίως υδρογόνου). Οποιεσδήποτε άλλες αλληλεπιδράσεις και αν είναι παρούσες (κυρίως πυρηνικές), ο Ήλιος δε θα μπορούσε καν να υπάρξει χωρίς την ύπαρξη της βαρύτητας! Η χαμηλή τιμή της εντροπίας του Ήλιου (που απέχει πολύ από την θερμική ισορροπία) οφείλεται στην τεράστια δεξαμενή χαμηλής εντροπίας που "εν δυνάμει" βρισκόταν στην ομοιομορφία του αερίου από το οποίο ο Ήλιος προήλθε μέσα από βαρυτική συμπύκνωση.
Η ελκτική φύση της βαρύτητας προκαλεί πιθανόν μια σχετική σύγχυση, όσον αφορά την εντροπία. Συνήθως, εκφράζουμε την εντροπία μέσω ενός συνηθισμένου αερίου, όπου το αέριο συγκεντρωμένο σε μικρές περιοχές αντιστοιχεί σε χαμηλή εντροπία, ενώ η υψηλή εντροπία της κατάστασης της θερμικής ισορροπίας αντιστοιχεί στην ομοιόμορφη κατανομή του αερίου.

 Στην περίπτωση της βαρύτητας ισχύει το αντίστροφο. Ένα ομοιόμορφα κατανεμημένο σύστημα βαρυτικών σωμάτων αντιστοιχεί σε σχετικά χαμηλή εντροπία (εκτός αν οι ταχύτητες των σωμάτων  είναι πολύ μεγάλες ή/και τα σώματα είναι πολύ μικρά ή/και έχουν μεγάλη διασπορά, έτσι ώστε οι βαρυτικές συνεισφορές να είναι ασήμαντες), ενώ η υψηλή εντροπία επιτυγχάνεται όταν τα σώματα που αλληλεπιδρούν βαρυτικά πλησιάζουν πολύ μεταξύ τους.
Πότε επιτυγχάνεται η κατάσταση της μέγιστης εντροπίας; Αντίθετα με το αέριο, το οποίο φθάνει στην κατάσταση θερμικής ισορροπίας, που έχει τη μέγιστη εντροπία, όταν κατανέμεται ομοιόμορφα στην υπό εξέταση περιοχή, στα μεγάλα βαρυτικά σώματα, η μέγιστη εντροπία επιτυγχάνεται όταν όλη η μάζα συγκεντρωθεί σε ένα σημείο - δημιουργώντας την οντότητα που ονομάζουμε μελανή οπή (μαύρη τρύπα).
Roger Penrose "Αναζητώντας την πραγματικότητα, ένας πλήρης οδηγός των νόμων του σύμπαντος", Εκδόσεις ΓΚΟΒΟΣΤΗ

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...