El Sol nos está dando una baja entropía, no energía.

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

Las trampas son que la energía se conserva (lo que probablemente sabías) y también que la entropía se paraconserva (lo que quizás no sabías). Específicamente, la entropía no se puede destruir, pero se transfiere cuando un objeto calienta a otro, y también se crea cada vez que ocurre cualquier proceso, en cualquier lugar.

El problema con la producción de trabajo surge porque el trabajo no transfiere entropía, pero la transferencia de calor sí lo hace (mientras que también crea algo de entropía). Por lo tanto, no podemos simplemente convertir la energía térmica (como la energía que proporciona el Sol) en trabajo; también debemos volcar la entropía que la acompaña en algún lugar. Esta es la razón por la cual cada motor térmico requiere no solo una fuente de energía térmica (el llamado reservorio caliente) sino también un sumidero de entropía (el llamado reservorio frío).

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

Ahora extraemos algo de trabajo útil.$W$(por ejemplo, hirviendo agua y haciendo funcionar una turbina de vapor), y volcamos toda esa entropía en el depósito de baja temperatura a temperatura$T_\mathrm{cold}$(usando un río fresco cercano para condensar el vapor, por ejemplo):

El balance de energía resulta:

Ahora al punto: El Sol envía mucha energía hacia nosotros: alrededor de 1000 W/m² en la superficie de la tierra. Pero, ¿es esto de hecho tanta energía? La capacidad calorífica del suelo es de unos 1000 J/kg-°C, por lo que si simplemente extrajéramos 1°C de un kilogramo de suelo por segundo, igualaríamos la energía del Sol por metro cuadrado. Y hay mucho suelo disponible, y su temperatura absoluta es bastante alta (alrededor de 283 por encima del cero absoluto en divisiones de °C).

¡Y la capacidad calorífica del agua es cuatro veces mayor! Aún mejor, el agua circula por sí misma, por lo que en este escenario, podríamos enfriar el agua de mar y dejarla recircular. Podríamos operar un barco de fiesta: extraer energía térmica del agua para hacer hielo para nuestros cócteles y usar la energía extraída para navegar todo el día.

Desafortunadamente, las restricciones descritas anteriormente nos dicen que no podemos realizar esta extracción: no hay un depósito de temperatura más baja al que enviar la entropía (aquí, asumo que la mayor parte de la tierra y la atmósfera disponible para nosotros está alrededor de 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.

Una respuesta conceptual en dos partes:

Primero, tenga 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 pequeños pros y contras, pero esto es básicamente correcto) El poder del Sol ciertamente no está aumentando rápidamente la energía total de la Tierra.

Entonces, ¿por qué el poder del Sol parece tan vital? Bueno, compensa el poder perdido. Rodear la Tierra en una Manta de Confort Espacial Gigante 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 está concentrada y es de alta temperatura, por lo tanto, de baja entropía (lo cual es bueno), a diferencia del calor planetario difuso y de baja temperatura y alta entropía (menos bueno).

Visto de esa manera, mientras recupera la energía perdida, el Sol proporciona una dosis de orden (baja entropía) que permite que la vida haga su trabajo al consumir eso y emitir la energía como calor desordenado de bajo grado.

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

Obviamente, la oración debería ser "El Sol nos está dando una entropía baja, no solo 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 bolsones de orden en el caos circundante, es decir, para mantener áreas locales de baja entropía, como nuestros cuerpos, facilitados por un flujo constante de energía a través de él. ¹ La energía proveniente del sol es obviamente necesaria para esto, pero no suficiente, como muestra el siguiente experimento mental:

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

El balance de energía también sería el mismo que ahora: irradiaríamos todo lo que recibimos más algo de radiactividad residual. Pero habría un equilibrio cercano. El único flujo de energía utilizable, la única fuente de energía con baja entropía, provendría de la descomposición nuclear subterránea. Solo eso podría usarse para bajar localmente la entropía en algunos lugares de la superficie. La radiación que nos golpearía sería completamente inútil.

Supongo que eso es lo que Meissner quiso decir.

_{¹ A través de los alimentos que, después de algunas indirectas, solo almacenan energía solar.}

El sol no es una "fuente de baja entropía". La frase ni siquiera tiene sentido, físicamente. Piense en los análogos "fuente de baja presión" o "fuente de frío". Este pensamiento probablemente proviene de la idea impulsada por Erwin Schrödinger de que los animales tienen que comer con poca entropía. Siendo ignorante de la química compleja, no puedo decir cuánto difiere significativamente la entropía específica (entropía por unidad de masa) de los excrementos animales de su alimento. Lo que 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) e intercambio de gases (sudor, dióxido de carbono y agua).

Tenga en cuenta el proceso: energía + entrada de entropía -> energía + salida de más entropía. Más significativamente, debido a que el animal tiene acceso independiente a un baño a baja temperatura, los excrementos no tienen que tener una entropía particularmente más baja que la comida.

Este es el mismo proceso básico por el que pasa la Tierra. El sol actúa como una fuente de alta entropía y energía. De hecho, lo único particularmente bajo de la entropía de la luz solar es su dirección de viaje, pero eso solo 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 se aleja del sol, la dirección del viaje se vuelve más y más segura, disminuyendo la entropía de cualquier fotón en particular. Sin embargo, esto solo es posible debido a algunas características implícitas en la descripción: hay un vacío frío en el que el fotón puede dispersarse desde una fuente local definida.

Tenga en cuenta que todos los demás aspectos de la luz del sol, es decir, la dispersión de frecuencia y la polarización, siguen siendo una fuente de alta entropía. Donde arrojamos más entropía de la que recibimos es principalmente una función del aumento en la cantidad de fotones necesarios para lograr el equilibrio energético.