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地球时刻都在吸收太阳的能量,那么根据能量守恒定律,为什么地球上的能源稀缺呢?电池充电时为什么会爆炸

作者:机械网
文章来源:本站

  这个问题量子菌来回答。能量守恒定律当然没有问题,太阳向地球辐射的能量是巨大的,但人类能利用的能量却太少。就好像,地球上的水多的是,70%都是浩渺的海洋,但人类可利用的淡水资源还是不足,很多地方至今还缺乏健康安全的饮用水。

  太阳这个恒星给予整个太阳系以能量,来自太阳内部的核聚变时时刻刻释放出巨大的能量,而我们地球距离太阳1.5亿公里,可以接收到太阳辐射能量的22亿分之一。这么大的能量哪里去了呢?

  首先,地球吸收能量也会散发出能量,不然只有吸收的话,地球不停的吸收太阳能量,那么地球温度早升高了,不是现在这么宜居了。地球上吸收和散发的能量基本相当,所以除了白天黑夜和四季变化,平均温度大致不变,当然目前有温室效应,全球变暖。

  其次,太阳光不是那么容易利用的,除了植物利用光合作用储存能量,人类直接利用太阳能的效率和成本还是太高了,太阳能电池目前效率在20%以上,但成本却一直居高不下。而通过太阳辐射来加热也是一种方式,但效率也比较低,早先流行的太阳能热水器,因为太不实用,现在使用的也越来越少了。

  地球时刻都在吸收太阳的能量,那么根据能量守恒定律,为什么地球上的能源稀缺呢?

  太阳能可能是地球上最丰富的资源之一,假如人类能实现高效利用和储存电能的话,那太阳可以完美的解决人类的暂时能源问题!为何是暂时?我们来简单分析下。

  一、太阳的辐射功率有多大?

  太阳向宇宙空间辐射的总功率达到了3.8×10^26W,1.5亿千米外,半径达到了6370KM的地球获得的获得的总功率达1.7×10^17 W,地球上获得辐射功率约为1.4KW/平方米(中午、赤道地区)!当然这个平方米需要注意下,是朝向太阳垂直面积,因此和时间与纬度有很大的关系!

  全球辐射量示意图,很明显赤道地区比较强,而两极明显降低,而差异非常大!

  辐射的吸收与反射示意图,有很大一部分会重新反射回宇宙!

  二、我们需要多少太阳能电池才能满足要求?

  2022年,中国用电量为63077亿千瓦时,这需要1542979452平方米100%转换效率的太阳能电池每天8小时发电!但实际情况比较惨:

  1、如果效率只有20%,商业运行已经很高了,那么将变成7714897260平方米

  2、如果只能发电4小时,那么将变成:15429794520平方米

  3、如果全年只有一半的好天气,那么是:30859589041平方米

  合计需要:30859.6平方千米的太阳能电池阵列!

  总计需要:175.67千米边长的太阳能电池阵列!

  我国辐射功率示意图,能满足1.4W以上的还是不多的,咋沿海地区还因为天气原因大打折扣!

  三、太阳能电池即可满足要求?

  我们在计算太阳能电池的发电量时,只能计算8小时甚至更低,当然这原因很简单,因为太阳的并不是无时不刻都在的,夜间也阴天就无法有效使用太阳能,只能用太阳能的二次能源,比如天然气或者水电煤电潮汐电站等!因此必须还要有一套大功率的储能设备,以备在夜间和阴天时提供电能!

  1、抽水蓄能型

  2、电池蓄能型

  3、压缩空气或者飞轮蓄能型

  4、电解水蓄能型

  ......

  无论哪种都无法完美解决太阳能这个不均匀的问题!

  四、空间太阳能电站?

  这是完美解决大气反射、昼夜交替、阴雨天气等弊端的方案,但又跑出来一个大问题,即如何向地面传输?

  1、微波传输?

  2、激光传输?

  但无论哪种都会在大气层中留下一个死亡通道,人类的航天器可以设置轨道避开,但鸟类却无法避免,比如在太阳能镜面聚焦阵列中心就是一个烤鸟场!

  西班牙塞维利亚附近的集中太阳能发电厂!

  但中心焦点附近是一个不折不扣的死亡区域!如果是空间太阳能电站,那么这个死亡区域将会更大,从天空一直到达地面,都鸟类一旦进入绝对不可能幸免!

  五、地球能源稀缺吗?

  

地球时刻都在吸收太阳的能量,那么根据能量守恒定律,为什么地球上的能源稀缺呢?电池充电时为什么会爆炸

  其实地球能源一点都不稀缺,但收集与利用比较困难,比如太阳能就非常明显不能彻底解决问题,水电、风电、潮汐、火电与核裂变等都不能彻底解决,只有未来的核聚变才是真正的希望所在!近乎无限的聚变能是人类所渴求的,但实现也最难!当然在核聚变电站实现之前,我们唯一能做的就是将常规与核裂变能源利用到极致,万一核聚变需要很久以后才能实现呢?但人类的生存与发展却是刻不容缓的!

  能源稀缺是经济学概念,也是一个经济学命题。对于人类的特定需求而言,能源可能是不足的,但是,相对于自然界能够提供给人类的能源潜力,人类所需的能源又是微不足道的。巨大的自然界能源资源是一回事,其中能够被有效利用的能源又是另一回事。利用自然界的能源资源也有着巨大的成本限制,涉及技术、财物的投入,人类所需能源资源的瓶颈,往往是受制于技术和投入的限制,而非能源资源本身。

  太阳和地球的距离足足有1.5亿公里,而地球又比太阳小130万倍,因此接收到的能量只是太阳总释放量的一小部分,准确的说地球每天接收的太阳能量相当于2.7亿颗广岛,只是看起来很多罢了,其实大部分都浪费掉了。

  尽管目前能用太阳光发电,但太阳能的电太少了,和现代社会巨大的能源需求相比就是杯水车薪,因此太阳能从来都不是人类文明的主要能源,想要真正利用好太阳能的话只能将太阳能电池板放到太空然后无线输电到地球。

  地球大气层对太阳光的影响太大了,未来的月球和太空城才是太阳能大显身手的地方,地球的能源危机只能靠可控核聚变来解决,半个世纪后可控核聚变发电站就能出现。

  科学技术进步会让我们发现能源从来就没有稀缺过,宇宙中到处都是能源,只要技术足够发达我们甚至能用脉冲星发电,用黑洞处理各种垃圾。

  对于我们人类目前的科技水平来说,并不是所有能量都能利用的,而且低熵才是能量的价值。

  太阳每秒总电磁辐射为3.827×10^26瓦,这个值也有一个名称,叫做光度值。

  太阳常数为1367瓦,即地球上每平方米大约1367瓦特[1353(±21) W/m2(1976年, NASA)],

  按地球的截面积是127,400,000 平方公里来计算,可得出地球每秒从太阳接收约1.74×10^17焦耳能量,这个能量很大,是人类所需要能量的数千倍。

  而大气层大约要反射34%的太阳光。

  所以,到达地面的太阳能大约是每秒1.15×10^17焦耳。

  而1945年美国在广岛和长崎丢下的释放能量大约为5.5×10^13焦,所以说地球每秒接收到太阳的能量相当于2091颗广岛。

  虽然地球每秒要从太阳那吸收这么多的能量,但当地球温度升高后,地球还会以红外线的方式向外散热。

  一般散发的热量与地球温度成正比,温度越高散发越多。当温度保持稳定时,基本上吸收的能量和散发的能量就相等了。

  所以重要的不是能量的多少,而是有用能量的多少,处于低熵形式的能量才有用。

  由于能量守恒,所以任何封闭系统内的能量总量是不变的,但是能量的有用价值是层层递减的。

  比如,水坝后的水是一种有用能量,它会向下流动直到两边水位相同,而不会逆流向上。

  再比如,一杯热水含有用能量,可以融化冰块使水达到一个中等的温度。

  但你永远不会看到在能量总量不变的情况下,让一杯温水变成热水,再同时自行生成冰块。

  所以,有用能量必须是不平衡的能量,这就是低熵能量的本质。

  我们只能利用低熵的能量,而无用能量即高熵的能量无法被利用。

  比如,马路上的行驶车辆的噪音、或放在地面上物体的势能、地球每天夜里向太空辐射的红外线,这些都是无用的高熵能量。我们无法利用它们做任何事。

  而汽油和空气种含有用的低熵的能量,将它们混合在一起燃烧,就可以让汽车跑起来。从启动到行驶,再到停车,在这段路程中,总能量保持不变。

  但是有用的化学能量转化成了没用且高熵的热量和噪音。

  所以能量还在,只是无法像之前那样可供利用。在一个封闭系统里,能量从低熵到高熵的转变,是不可逆的,这就是热力学里的熵增定律。

  除了主要以红外线方式散发到太空的无用能量,全球的植物对太阳光的利用率大约只有1%到5%,而人类现在最高效的太阳能技术,在实验室里才能超过50%,工业化利用一般最高在40%左右,而一般的光伏电池能达到20%到25%就很不错了。

  不管怎么说,地球上所有生物对太阳光的直接利用都太少。而太阳能一般被转换为水势能(水循环)、风能(大气环流)等各种形式留存在地球上。

  宇宙最低熵的能量是氢,恒星就是消耗氢,产生了次一级的能量:热辐射太阳能。

  太阳给地球提供低熵易用的太阳能,其形式主要是可见光光子。

  

地球时刻都在吸收太阳的能量,那么根据能量守恒定律,为什么地球上的能源稀缺呢?电池充电时为什么会爆炸

  这些低熵的能量,在地球上通过各种各样的转换,被层层消耗,最后转变为高熵值的形式辐射掉,也就是红外线。

  地球每接收到一个可见光光子,就会向太空辐射了约20个红外光子。

  也就是说,虽然地球吸收和释放的能量平衡,但熵值升高了20倍。

  事实上,目前太阳是我们有用能量的唯一来源,它是太阳系里寒冷黑暗的星空中唯一发光发热的恒星。

  如果,一天整个星空是跟太阳一样的温度,我们的星球会接收到更多能量,但是地球会迅速平均化达到一个高熵的平衡状态。

  所有温度和太阳一样,这样就不可能开车或生存,不是因为能量缺乏,而是因为所有能量平均后,就什么事都做不了。

  在平衡状态下,所有能量都变成了没用的高熵能量,永远不会变化,也就永远没有运动,这就是宇宙毁灭的热寂说。

  万物都化为了能量,然而却是能量平衡状态的的死寂。

  当一切都变成高熵,时间的方向也会消失,时间变得没有意义。

  并不是地球的能源希望,而是人类所能利用的能源稀缺。

  太阳传输给地球的功率为1.74×101?瓦,其中有大约一半的能量在穿过大气层时就被吸收掉了,剩余的一般会照射到的地球表面。

  截止到2022年,人类使用能量的总功率是1.75×1013 瓦

  因此,其实人类对于太阳传输给地球的能量使用率仅仅为0.01%

  所以,人类对于太阳能的使用效率是极其低,仅为万分之一的水平。如果太阳的照射到地球上的能源都能为人类所用,那一定不会出现能源稀缺的问题。

  而太阳之所以能量这么搞,是因为太阳的核心正在发生核聚变反应,通过自身引力和核聚变产生的向外压力形成的动态平衡,实现可控核聚变反应。实际上,太阳一百亿年一共能释放的能量达到1.12×10?? 焦耳,功率达到3.828×102? 瓦特,而能被地球只分到一丢丢,大概只有20亿分之一,而人类所使用的能量则是这20亿分之一的万分之一。

  因此,想要解决能源危机,其实最好的办法就是利用恒星产生能量的办法,也就是可控核聚变。现在各国都在相关领域投入大量的研究经费,其中就包括我们国家。

  感谢邀请,这个问题我打算从以下两个方面去解答:

  宇宙间没有只吸收能量而不辐射能量的天体,有读者肯定想到了黑洞,黑洞的引力确实大到了能够吞噬所有东西,但黑洞一直在向外辐射着能量,这个理论最早是霍金提出来的,霍金认为黑洞并不是只进不出,后来被认为是正确的,其实想想也知道,如果只进不出,黑洞早晚会爆炸。

  地球也是一样的,地球并不是单纯的吸收能量,也会辐射能量。这样才能保持平衡。

  来看一组数据:太阳每秒总电磁辐射为3.827×10^26瓦,地球每秒从太阳获得的辐射是1.74×10^17焦。

  地球表面有约71%面积是海洋,还有厚厚的大气层,有约38%的能量被反射,其余地球通过热辐射等形式保持了地球上能量的平衡。

  太阳辐射到地球的能量,除了38%左右的能量被反射回宇宙,绝大部分能量又在晚上通过热辐射的形式返回宇宙了,这些能量都是无法利用的。还有很小的一部分植物会通过光合作用转化为植物的化学能,有的读者会想到太阳能发电,这仅仅只是特别特别微小的一部分。这两部分都是可能被利用的。

  地球作为一个比较巨大的行星,自身也会储存少量能量,其实我们目前利用的大部分的能源就是来源于这部分,如煤、石油、天然气等。石油和煤都是经历数百万年甚至上亿年前才形成的,这些都是亿万年前储存起来的能量。

  我是小地,我来回答!

  首先可以肯定的是,世间万物都遵循这能量守恒这一定律,即没有物质平白无故消失,也没有物质可以无端生有,物质之间的相互转换其“量”相等。

  我们都知道地球的绝大部分能量都是由太阳能转化而来,有着工业血液之称的石油、有黑色金子之称的煤炭,以及我们一日三餐所吃的粮食、睡觉用的木床,甚至是地表水循环、大气环流等,都与太阳能有关。因此从理论上来讲太阳能是取之不绝用之不尽的。

  不仅如此,风能、水能、潮汐能、地热能,甚至是核能等都属于清洁能源,但由于技术原因,人类对这些能源的利用率还非常的低,以我国的水电为例,虽然我国水电可开发容量约37800万千瓦,占全球水电可开发容量226000万千瓦的16.7%,但是在我国的电力构成中,传统的火电占了近八成,水电只占了百分之十几,剩余的几个百分点则包含了核电、风电、地热发电等,可以说清洁能源在电力结构中占比有多低。

  确实,相对于太阳能、水能、核能等清洁能源而言,以煤炭、石油、天然气等为主的常规能源由于储量有限或者更新过程复杂且周期极为漫长,随着人类社会的发展和对能源需求的剧增,人类对能源的需求与能源供给不足的矛盾日益加深。

  尽管地球上常规能源较为稀缺,但是就大方向而言,这已成为定局,随着传统能源的逐步耗尽,人们正在积极开发清洁能源,其中太阳能、水能、风能、核能就备受青睐,因此可以说地球上并非完全的缺乏能源,而缺乏的是改造和利用的技术。

  以上内容,欢迎点评!

  光没质量有能量和动量,但光不能包罗一切资源,不能替代其它元素,有些资源只会減少,不会再生,并不是永永远这无穷尽,只是时辰未到。

  地球上的大气流动,水变成蒸气,冰雪融化,都需要能量。太阳辐射的热量来到地球,把地面晒热、把空气加热形成上升气流、形成风,形成云,形成海浪,植物生长所需要的光热资源全部来自太阳。我们今天开发的所有水电、风能、太阳能全都来自太阳的能量。能量这个东西是很难储存的。为了凉爽一下,我们需要消耗能量摇一摇扇子去扇风,扇过之后能量转变成风接着就消失了。所以太阳辐射到地球上的能量以各种不同的方式不断转换并没有大量储存,只是到了工业文明之后人们才开始大规模开发这些能量,之前只能任由这些伟大的力量制造的狂风和流水扬起尘土,冲刷地表,在海上掀起滔天巨浪,年复一年、周而复始。地球跟太阳之间的生态是特定条件下形成的特定关系。在缘分未尽的情况下,这种关系会一直持续下去,在历史的长河中,人类只是匆匆过客。

  

地球时刻都在吸收太阳的能量,那么根据能量守恒定律,为什么地球上的能源稀缺呢?电池充电时为什么会爆炸

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