F Premièrement, quelques préliminaires: Nous souhaitons toujours avoir un système capable de faire un travail utile, par exemple faire fonctionner une roue à eau, soulever un poids ou produire de l'électricité.

Le problème est que l'énergie est conservée (ce que vous saviez probablement) et aussi que l'entropie est paraconservée (ce que vous ne saviez peut-être pas). Plus précisément, l'entropie ne peut pas être détruite, mais elle est transférée lorsqu'un objet en chauffe un autre, et elle est également créée chaque fois qu'un processus se produit, n'importe où.

Le problème avec la production du travail se pose parce que le travail ne transfère pas l'entropie, mais le transfert de chaleur (tout en créant également une certaine entropie). Par conséquent, nous ne pouvons pas simplement transformer l'énergie thermique (telle que l'énergie fournie par le Soleil) en travail; nous devons également vider l'entropie qui l'accompagne. C'est pourquoi chaque moteur thermique nécessite non seulement une source d'énergie thermique (le soi-disant réservoir chaud) mais aussi un puits d'entropie (le soi-disant réservoir froid).

Dans le processus idéalisé, lorsque nous extrayons l'énergie $ E $ du réservoir chaud à la température $ T_ \ mathrm {hot} $, l'inévitable transfert d'entropie est $$ S = \ frac {E} {T_ \ mathrm {hot }}. $$

Maintenant, nous extrayons du travail utile $ W $ (en faisant bouillir de l'eau et en faisant fonctionner une turbine à vapeur, par exemple), et nous vidons toute cette entropie dans le réservoir à basse température à la température $ T_ \ mathrm {froid} $ (en utilisant une rivière fraîche à proximité pour condenser la vapeur, par exemple): $$ S = \ frac {EW} {T_ \ mathrm {cold}}. $$

Le bilan énergétique fonctionne: $$ EW = (EW). $$ Le bilan d'entropie fonctionne: $$ \ frac {E} {T_ \ mathrm {hot}} = \ frac {EW} {T_ \ mathrm {froid}}. $$ L'efficacité est $$ \ frac {W} {E} = 1- \ frac {T_ \ mathrm {froid}} {T_ \ mathrm {chaud}}. $$ Et plus la température de le réservoir chaud, plus nous pouvons tirer de $ W $ de travail tout en satisfaisant les deux lois de conversation.

Now au point: Le Soleil envoie beaucoup d'énergie sur notre chemin: environ 1000 W / m² à la surface de la terre. Mais est-ce en fait autant d'énergie? La capacité thermique du sol est d'environ 1000 J / kg- ° C, donc si nous extrayions simplement 1 ° C d'un kilogramme de sol par seconde, nous égalerions l'énergie solaire par mètre carré. Et il y a beaucoup de sol disponible, et sa température absolue est assez élevée (environ 283 au-dessus du zéro absolu en divisions de ° C).

Et la capacité thermique de l'eau est quatre fois plus élevée! Mieux encore, l'eau circule automatiquement, donc dans ce scénario, nous pourrions refroidir l'eau de mer et la laisser recirculer. Nous pourrions faire fonctionner un bateau de fête: extraire l'énergie thermique de l'eau pour faire de la glace pour nos cocktails et utiliser l'énergie extraite pour naviguer toute la journée.

Malheureusement, les restrictions décrites ci-dessus nous indiquent que nous ne pouvons pas effectuer cette extraction: il n’y a pas de réservoir à basse température vers lequel envoyer l’entropie (ici, je suppose que la majeure partie de la terre et l'atmosphère dont nous disposons est d'environ 10 ° C). En revanche, la température du Soleil est énorme - autour de 5500 ° C, ce qui rend le dénominateur du terme d'entropie effective $ S = E / T $ relativement petit. Ainsi, ce n'est pas l'énergie de la lumière du soleil qui est particulièrement utile, c'est sa faible entropie.

Une réponse conceptuelle en deux parties:

Tout d'abord, notez que l'énergie de la Terre est essentiellement constante . La Terre perd continuellement de l'énergie dans l'espace et le Soleil compense cette perte. (Oui, il y a de petits plus et des moins, mais c'est fondamentalement vrai) La puissance du Soleil n'augmente certainement pas rapidement l'énergie totale de la Terre.

Alors, pourquoi la puissance du Soleil semble-t-elle si vitale? Eh bien, cela compense la puissance perdue. Entourer la Terre dans une couverture de confort spatiale géante réduirait également ces pertes, mais cela semble moins important que la puissance concentrée du Soleil.

C'est là que l'entropie entre en jeu: l'énergie du Soleil est concentrée à haute température &, d'où une faible entropie (ce qui est bon), contrairement à la chaleur planétaire diffuse & basse température à haute entropie (moins bonne).

Vu de cette façon, tout en compensant la perte d'énergie, le Soleil fournit une dose d'ordre (faible entropie) qui permet à la vie de faire son travail en consommant cela et en dégageant l'énergie sous forme de chaleur désordonnée de basse qualité.

L'entropie du système terre + soleil est inférieure à celle d'un système avec la terre entourée d'une énergie diffuse équivalente à celle du soleil.Techniquement, les deux systèmes ont la même énergie, mais le premier a beaucoup plus d'énergie utilisable .

De toute évidence, la phrase devrait être "Sun nous donne une faible entropie, pas l'énergie only". Le rayonnement du Soleil crée un flux d'énergie à travers la Terre que la vie peut utiliser. Le flux d'énergie est généralement utilisé pour construire des poches d'ordre dans le chaos environnant, c'est-à-dire pour maintenir des zones locales de faible entropie, comme notre corps, facilité par un flux constant d'énergie à travers lui. ¹ L'énergie provenant du soleil est évidemment nécessaire pour cela, mais pas suffisante, comme le montre l'expérience de pensée suivante:

Si la Terre était entourée d'une coquille avec la température de rayonnement moyenne de l'univers vue de la Terre - chaleur dispersée, entropie élevée -, nous recevrions la même énergie par rayonnement que nous le faisons maintenant du Soleil (plus la Lune, les étoiles et le rayonnement de fond), mais cela ne servirait à rien.

Le bilan énergétique serait également le même que celui du moment: nous irradierions tout ce que nous obtenons plus une certaine radioactivité résiduelle. Mais il y aurait presque un équilibre. Le seul flux d'énergie utilisable - la seule source d'énergie à faible entropie - proviendrait de la désintégration nucléaire souterraine. Seulement cela pourrait être utilisé pour abaisser localement l'entropie à certains endroits de la surface. Les radiations qui nous frapperaient seraient complètement inutiles.

Je suppose que c'est ce que Meissner voulait dire.

_{¹ Par la nourriture qui est après quelques indirections juste stockée de l'énergie solaire.}

Le soleil n'est pas une "source de faible entropie". La phrase n'a même pas de sens, physiquement. Pensez aux analogues «source de basse pression» ou «source de froid». Cette réflexion vient probablement de l'idée poussée par Erwin Schrödinger que les animaux doivent manger une faible entropie. Étant ignorant de la chimie complexe, je ne peux pas dire à quel point l'entropie spécifique (entropie par unité de masse) des excréments d'animaux diffère de manière significative de leur alimentation. Ce que je peux dire, c'est que l'excès d'entropie est déversé dans l'environnement environnant par une combinaison de transfert de chaleur brute (conduction, convection et rayonnement) et d'échange de gaz (sueur, dioxyde de carbone et eau).

Notez le processus: énergie + entropie dans -> énergie + plus d'entropie en sortie. Plus important encore, étant donné que l'animal a un accès indépendant à un bain à basse température, les excréments ne doivent pas nécessairement avoir une entropie particulièrement inférieure à celle de la nourriture.

C'est le même processus de base que subit la Terre. Le soleil agit comme une source à la fois d'entropie et d'énergie élevées. En fait, la seule chose qui présente une entropie particulièrement faible à propos de la lumière du soleil est sa direction de déplacement, mais ce n'est vrai qu'ici, à 150 millions de km du soleil. À la surface du soleil, l'entropie de la lumière est plus élevée.

Comment l'entropie change-t-elle entre ici et le soleil? La réponse est la même que la vraie réponse à l'énigme d'où nous «tirons notre faible entropie»: le vide froid de l'espace. Au fur et à mesure que la lumière se déplace vers l'extérieur du soleil, la direction du voyage devient de plus en plus certaine, laissant tomber l'entropie d'un photon particulier. Ceci n'est possible, cependant, qu'à cause de certaines caractéristiques implicites de la description: il y a un vide froid dans lequel le photon peut se propager à partir d'une source locale définie.

Notez que tous les autres aspects de la lumière du soleil, c'est-à-dire la propagation de fréquence et la polarisation, restent une source d'entropie élevée.L'endroit où nous déversons plus d'entropie que ce que nous recevons est principalement fonction de l'augmentation du nombre de photons nécessaires pour atteindre l'équilibre énergétique.