El Sol nos da una baja entropía, no energía

Question

Mientras veía una conferencia de divulgación científica en YouTube, me encontré con esta frase

"El sol nos da una baja entropía, no energía"

que fue dicho por el Prof. Krzysztof Meissner .

No soy físico, pero esto me parece un gran salto.

Me gustaría que alguien me explicara la diferencia.

Answer 1

Primero, algunos preliminares: Siempre deseamos tener un sistema que pueda realizar un trabajo útil, por ejemplo, hacer funcionar una rueda de agua, levantar un peso o generar electricidad.

Las pegas son que la energía se conserva (algo que probablemente ya sabías) y también que la entropía se paraconserva (algo que quizá no sabías). En concreto, la entropía no se puede destruir, pero se transfiere cuando un objeto calienta a otro, y también se crea siempre que ocurre cualquier proceso, en cualquier lugar.

El problema de la producción de trabajo surge porque el trabajo no transfiere entropía, pero la transferencia de calor sí lo hace (a la vez que crea algo de entropía). Por lo tanto, no podemos simplemente convertir la energía térmica (como la energía que proporciona el Sol) en trabajo; debemos verter también la entropía que la acompaña en alguna parte. Por ello, toda máquina térmica requiere no sólo una fuente de energía térmica (el llamado depósito caliente), sino también un sumidero de entropía (el llamado depósito frío).

En el proceso idealizado, cuando sacamos energía $E$ del depósito caliente a la temperatura $T_\mathrm{hot}$ la transferencia de entropía inevitable es $$S=\frac{E}{T_\mathrm{hot}}.$$

Ahora extraemos algo de trabajo útil $W$ (hirviendo agua y haciendo funcionar una turbina de vapor, por ejemplo), y vertemos toda esa entropía en el depósito de baja temperatura a la temperatura $T_\mathrm{cold}$ (utilizando un río frío cercano para condensar el vapor, por ejemplo): $$S=\frac{E-W}{T_\mathrm{cold}} .$$

El balance energético funciona: $$E-W=(E-W).$$ El balance de entropía funciona: $$\frac{E}{T_\mathrm{hot}}=\frac{E-W}{T_\mathrm{cold}}.$$ La eficiencia es $$\frac{W}{E}=1-\frac{T_\mathrm{cold}}{T_\mathrm{hot}}.$$ Y cuanto más alta sea la temperatura del depósito caliente, más trabajo $W$ podemos sacar mientras satisfacemos las dos leyes de conversación.

Ahora vamos al grano: El Sol nos envía mucha energía: unos 1000 W/m² en la superficie de la Tierra. Pero, ¿es realmente tanta energía? La capacidad calorífica del suelo es de unos 1000 J/kg-°C, así que si simplemente extrajéramos 1°C de un kilogramo de suelo por segundo, igualaríamos al Sol en energía por metro cuadrado. Y hay mucho suelo disponible, y su temperatura absoluta es bastante alta (unos 283 sobre el cero absoluto en divisiones de °C).

Y la capacidad calorífica del agua es cuatro veces mayor. Y lo que es mejor, el agua se autocircula, así que en este caso podríamos enfriar el agua de mar y dejarla recircular. Podríamos hacer funcionar un barco de fiesta: extraer la energía térmica del agua para hacer hielo para nuestros cócteles y utilizar la energía extraída para navegar todo el día.

Por desgracia, las restricciones descritas anteriormente nos dicen que no puede realizar esta extracción: no hay ningún depósito de menor temperatura al que enviar la entropía (aquí, estoy asumiendo que la mayor parte de la tierra y la atmósfera disponible para nosotros está a unos 10°C). Por el contrario, la temperatura del Sol es enorme -alrededor de 5500°C, lo que hace que el denominador del término de entropía efectiva $S=E/T$ relativamente pequeño. Por lo tanto, no es la energía de la luz solar lo que es particularmente útil, sino su baja entropía.

Answer 2

Una respuesta conceptual en dos partes:

En primer lugar, hay que tener en cuenta que la energía de la Tierra es esencialmente constante . La Tierra pierde continuamente energía hacia el espacio, y el Sol compensa esa pérdida. (Sí, hay pequeñas ventajas y desventajas, pero esto es básicamente correcto) La energía del Sol ciertamente no está aumentando rápidamente la energía total de la Tierra.

Entonces, ¿por qué el poder de El Sol parece tan vital? Pues porque compensa la energía perdida. Rodear la Tierra con una manta gigante de confort espacial también reduciría esas pérdidas, pero de alguna manera eso parece menos grande que el poder concentrado del Sol.

Así que ahí es donde entra la entropía: la energía del Sol es concentrada y de alta temperatura, por lo tanto de baja entropía (lo cual es bueno), a diferencia del calor planetario difuso y de baja temperatura de alta entropía (menos bueno).

Visto así, a la vez que recupera la energía perdida, el Sol está aportando una dosis de orden (baja entropía) que permite a la vida hacer lo suyo consumiendo eso y desprendiendo la energía como calor desordenado de bajo grado.

Answer 3

La entropía del sistema tierra+sol es menor que la de un sistema con la tierra rodeada de una energía difusa equivalente a la del sol. Técnicamente, ambos sistemas tienen la misma energía, pero el primero tiene mucho más utilizable energía.

Answer 4

Obviamente, la frase debería ser "El Sol nos da una baja entropía, no sólo energía". La radiación del Sol crea un flujo de energía a través de la Tierra que la vida puede utilizar. El flujo de energía se utiliza generalmente para construir focos de orden en el caos circundante, es decir, para mantener zonas locales de baja entropía, como nuestro cuerpo, facilitado por un flujo constante de energía a través de él. 1 La energía procedente del sol es obviamente necesaria para ello, pero no suficiente, como muestra el siguiente experimento mental:

Si la Tierra estuviera rodeada por una cáscara con la media temperatura de radiación del universo vista desde la Tierra -calor disperso, alta entropía-, recibiríamos la misma energía por radiación que ahora recibimos del Sol (más la Luna, y las estrellas, y la radiación de fondo), pero sería inútil.

La energía balanza también sería la misma que ahora: Irradiaríamos todo lo que tenemos más algo de radiactividad residual. Pero habría casi un equilibrio. El único flujo de energía utilizable - la única fuente de energía con baja entropía - se derivaría de la desintegración nuclear bajo tierra. Sólo eso podría servir para disminuir localmente la entropía en algunos lugares de la superficie. La radiación que nos golpea sería completamente inútil.

Supongo que eso es lo que quería decir Meissner.

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_{¹A través de la comida, que después de algunas indirecciones es sólo energía solar almacenada.}

Answer 5

El sol no es una "fuente de baja entropía". La frase ni siquiera tiene sentido, físicamente. Piensa en los análogos "fuente de baja presión" o "fuente de frío". Este pensamiento proviene probablemente de la idea impulsada por Erwin Schrödinger que los animales tienen que comer baja entropía. Al desconocer la compleja química, no puedo decir en qué medida la entropía específica (entropía por unidad de masa) de los excrementos de los animales difiere significativamente de su alimentación. Lo que sí puedo decir es que el exceso de entropía se vierte al entorno circundante mediante una combinación de transferencia de calor bruto (conducción, convección y radiación), y de intercambio de gases (sudor, dióxido de carbono y agua).

Obsérvese el proceso: energía + entropía de entrada -> energía + más entropía de salida. Y lo que es más importante, como el animal tiene acceso independiente a un baño de baja temperatura, los excrementos no tienen por qué tener una entropía especialmente menor que la del alimento.

Este es el mismo proceso básico que experimenta la Tierra. El sol actúa como una fuente tanto de alta entropía como de energía. De hecho, lo único particularmente bajo en entropía de la luz solar es su dirección de desplazamiento, pero eso sólo es cierto aquí, a 150 millones de kilómetros del sol. En la superficie del sol, la entropía de la luz es mayor.

¿Cómo cambia la entropía entre aquí y el sol? La respuesta es la misma que la verdadera respuesta al enigma de dónde "obtenemos nuestra baja entropía": el frío vacío del espacio. A medida que la luz viaja hacia el exterior desde el sol, la dirección del viaje se hace cada vez más segura, disminuyendo la entropía de cualquier fotón en particular. Esto sólo es posible, sin embargo, debido a algunas características implícitas en la descripción: hay un vacío frío en el que el fotón puede propagarse desde una fuente local definida.

Obsérvese que todos los demás aspectos de la luz del sol, es decir, la dispersión de la frecuencia y la polarización, siguen siendo una fuente de alta entropía. El hecho de que vertamos más entropía de la que recibimos es principalmente una función del aumento del número de fotones necesarios para lograr el equilibrio energético.