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能量物理的一般处理

脱掉我们的化石燃料套装

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钢铁侠式图形

来自Pixabay (Ramdlon)

化石燃料在很大程度上利用了人类的力量和创造力。它们的发现和加速利用彻底改变了我们的生活方式、成就，甚至改变了我们对自己作为一个物种的看法。

然而，有一件事是我们可以肯定的，那就是化石燃料是一种有限的这个星球上的资源——在特定的地点，经过数亿年的缓慢发展，其使用速度比生产速度快100万倍。我们知道，我们已经消耗了最初遗产的相当大一部分:也许现在已经消耗了不可替代的石油分配的一半。所以我们知道，人类冒险的这一阶段是暂时的。

传达这一理念的典型图表我已经使用过很多次，因为我相信这是现代人可能吸收的最重要的情节。在过去的150年里，人类的能源消耗急剧上升，而在化石燃料的背景下，在类似的时间尺度上，将会急剧下降，留下——到底是什么?

化石燃料的使用是最近的，快速的，很快就会结束

化石燃料能源爆炸为我们目前的烟花表演提供动力，这是一个短暂的现象，将在历史上很短的时间内结束。

在与文明相关的时间尺度上(文明始于一万年前的农业和城市)，几乎任何与人类活动有关的图看起来都像曲棍球棒:人口、农业产出、工业产出、开采材料、森林砍伐、物种灭绝等等2019中国必威常用网址 ］．其中许多当然与人口增长有关，但是人均影响也急剧增加，使人类的足迹达到了可怕的程度。在这一点上，人类和他们的牲畜占了地球上哺乳动物质量的96%，而所有野生动物只剩下4%(其中一半来自大型鲸鱼和其他海洋哺乳动物)。它不再只是一个脚印:它是一脚踩在地球喉咙上的靴子，让非人类生命喘着粗气，默默地乞求哪怕是一点怜悯。有人看到视频了吗?

几乎所有这些爆炸性的影响都可以追溯到化石燃料，我已经开始把它想象成一个西装人类给了我们字面意义上的超级大国．我们要是没了这身漂亮的西装会怎么样?

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BBC质疑无限期增长

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英国广播公司的西奥·莱格特在1月底采访了我，作为一个节目的一部分，他问道:世界会永远变得更富有吗?“你可以在这里收听节目．我的部分大约在11分钟开始。

我还被要求为帐面价值(与上面的第一个链接相同)，但显然西奥无法从所有参与者那里得到贡献，所以他自己写了这篇文章。但这是我寄给他的。我被要求回答这个问题:

世界会永远变得更富有吗?

你这么问真可耻。当然不是。以目前的人口水平，我们正对有限的资源施加前所未有的压力。我们正在这颗有45亿年历史的星球上进行一项未经授权的大规模实验。我们在几代人的惊人增长中都没有达到极限，这一事实不应被视为我们长期前景的证据。今天，我们像国王一样生活，每个人背负着大约100个能量奴隶(人类的新陈代谢是100瓦，但美国人享受着10,000瓦的持续能量)。我们的富裕程度很大程度上取决于剩余的能源那到目前为止，化石燃料一直是有限的。但即使在太阳能下，我们不能继续我们的记录是每年3%的能源增长，甚至几百年!全球物理极限——热力学、能源投资的能源回报、有限的耕地、水、渔业、气候变化等等——都在提醒我们这一点大自然并不关心我们的梦想．另一点是，即使我们限制物理增长，由于有限的资源，我们不能指望无限期地变得越来越富有．这必然采取效用/价值的非实体交换的形式，但要保持增长，这些活动最终必须完全主导经济——使有限而必要的资源得到充分利用有效的自由．告诉我怎么做那是有意义的。

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峰是什么?

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［的第8章对这些材料进行了更新处理有限星球上的能源和人类野心(免费)教科书。］

分隔了美国对全球石油生产的影响

(稍后你会看到更大的尺寸)

我已经保持了一段时间的“无线电沉默”——主要是因为盘子已经满了，我还戴了几顶新帽子。一直以来，我都收到了源源不断的电子邮件，感谢我做数学，问我是否还活着，如果还活着:我如何看待不断变化的石油形势?必威在线我还认为石油峰值是个问题吗?

让我们从大局观开始。

我什么都错了。石油不是一种有限资源:过去不是，将来也不会是。我们将采用新技术，以创新的方式开发本质上永久的化石能源。我们在勘探方面只触及了表面:还有巨大的矿藏(无数沙特阿拉伯规模的新油田)尚未被发现)。页岩油告诉我们这一点，而且它不会就此停止。首先是页岩，然后是石板、大理石、花岗岩:只要从岩石中挤出水力压裂法，我们就能得到石油。与此同时，全新的大陆被发现，资源丰富。最近一次是躲在澳大利亚后面。当然，这还没完。我们现在已经发现了数千颗距离地球仅一步之遥的行星，其中大多数行星本身可能含有化石燃料。 So game over for the resource limits crowd, yeah?

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计划将光伏淘汰?

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PV去牧场了?一位同事给我指了一个洛杉矶时报上的文章上周，该法案制定了一项计划，取消法律上对太阳能光伏(PV)的财政激励，以损害公用事业电力公司的利益。该计划由科赫兄弟和他们的政治行动组织“美国荣昌”牵头。

总而言之，他们针对的是两项大力推动太阳能发展的法律:净计量法和可再生能源法规。两者都赋予太阳能装置至关重要的优势，可以在很大程度上改变经济状况。

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难以捉摸的熵

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部分混合我们都听说过。我们认为我们理解了它:熵是无序的衡量标准。结合热力学第二定律(封闭系统的总熵可能永远不会减少)，我们似乎得出了一个深刻的结论:宇宙注定会变得更不有序。

其后果令人不安。当然，能源的应用可以在局部逆转熵，但如果我们的社会进入一个能源稀缺的政权，我们如何维持秩序?这很直观:能源被忽视的基础设施将会生锈和崩溃。第二定律就像一个哨兵，对否认这一事实的人毫不同情。

围绕着这个主题，我们吸收了低熵的能量，释放出了高熵的废物。生命呈现出奇妙的秩序——由持续的低熵能量供给所允许——而死亡和衰变则代表着更高熵的最终状态。我们从地下提取低熵浓度的物质(矿石)，然后将这些物质以更高熵的排列方式分散到世界各地。第二定律警告说，没有回头路:至少没有大量的能量注入就没有回头路。

但是等一下!前一段为大部分是错的！的概念的不幸合并熵而且障碍导致了什么广泛的误解热力学熵实际上意味着什么。如果你想引用热力学第二定律的重要性，你最好确定你说的是热力学熵——它与秩序的联系并不像你所认为的那么紧密。熵可以量化，单位是焦耳/开尔文。让我们从那里开始。

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能源与水的关系

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在我看来，本世纪的主要挑战将是适应没有丰富、廉价化石燃料的生活。它一直是我们社会的命脉，并被证明具有一些非常出色的品质。至于我们是否能开发出合适的/负担得起的替代品，还没有定论。但其他挑战也随之而来。水很可能是其中之一，这在我的地区尤其相关。对于替换普遍性的忠实信徒，让我提出两点建议。首先，接受元素周期表的有限紧凑性。第二，试着用美味的H2O和H2O2．它多了一个氧原子，我们都知道氧原子是生命的必需品，所以我们的新产品会超级容易销售。不要在意过氧化氢的味道，任何愚蠢地采用这种替代品的人肯定会死。有时我们只是因为没有替代品而陷入困境。

抛开替代的愚蠢不谈，水和能源在所谓的“能源-水关系”中密切相关迈克尔·韦伯的文章从本次会议汇编；关于付费墙，我很抱歉)。我们将在这里探讨这种联系的各个方面，涉及抽水，用水生产和提取能源，以及海水淡化。面对气候变化，随着冰川和积雪融化，干旱变得越来越普遍，我们的用水习惯将需要改变，这将直接影响到能源。

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吹式光伏系统效率:存储的案例研究

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不久之前，我描述过我的独立(离网)城市光伏(PV)能源系统．当时，我答应在接下来的一篇文章中评估该系统的实现效率。我当时在想什么？分析结果需要大量的工作!但它对我来说是有好处的，希望它对你们中的一些人也有用。我来告诉你最终的答案:62%。所以你现在可以离开，冒险断章取义地使用这个数字，或者你可以和我一起进入兔子洞……

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太阳数据宝库

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我不是秘密，我是一个太阳能的粉丝。暂且不谈存储问题，事实上，可用电力的规模是巨大的舒适的巨大,这完美高效的技术存在，即它在现实轴上坚硬(vs.幻想:它在发电就在我的屋顶上)，而且它几乎在任何地方都适用——有什么不喜欢的呢?你是被最后一段绊住了吗?许多做的。在这篇文章中，我们将看看在美国，作为地理位置的函数，人们可以期望多少太阳能产量

古玛雅人辛苦地积累了大量关于美洲各地太阳照明的观测数据，远远超过了现在的需要。好吧，其实不是古玛雅人。这是国家可再生能源实验室(NREL)从1961年开始开展了一项为期30年的运动，覆盖了美国及相关地区的239个地点。想象一下．多少人平分秋色认识到1961年的太阳能发电?然而，NREL的前瞻性科学家们早就意识到坚实的基线数据集的价值。这种程度的远见似乎类似于玛雅人一直到2012年的日历。这就是我要说的。这是过去的礼物。

多年来，我经常咨询并享受这项工作的成果——《科学》NREL红皮书，或更正式地说，平板和集中收集器的太阳辐射数据手册。但以一篇时髦的博客文章为动力，我已经把它提升了一个档次，并制作了数据集的各种图形表示，以探索它能告诉我们什么。让我们开始导游之旅吧。

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必威在线计算一下:下订单

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一年前的今天，必威在线他一出生就发表了一篇关于持续增长的荒谬的文章——在这种情况下说明了一个Galaxy-consuming人类文明只用了2500年。不到一个月，这个网站每天的浏览量就达到了数千次，而我也就我们面临的能源挑战整理出了大量的想法和分析。

在这个过程中，坚持每周的时间表迫使我在以前没有深入研究过的主题上进行许多新的计算。所以除了是一次宣泄的经历，我获得了新的理解，找到了建构的练习替代能源矩阵特别澄清一下。对我来说，一个主要的教训是，尽管任何替代能源的物理规模都很重要——有时是一个亮点——但更常见的是实用这些限制形成了最大的障碍。

找到时间和精力来保持博客的运行是一个挑战，但它是你的人他激励我继续开卡车。我知道每个帖子都会被成千上万的人阅读，也知道我可以期待一些优秀的、发人深省的评论(尽管有时只是发人深省)，这让我觉得做这件事是值得的。

在这一点上，我已经把节奏降低到每两周一次，我的未来主题想法列表正在慢慢减少。过去有许多评论要求我写一篇关于这个或那个问题的文章。我邀请你在下面的评论论坛提交请求(即使重复)。请注意，如果需要进行认真的分析，我可能没有背景、兴趣或时间进行投资。但我还是有机会上钩的——这个想法可能已经在我的清单上了!详情请参阅职位指南复习一下已经讲过的内容。

此外，我认为在这一周年纪念之际，向阿舍·米勒的后碳研究所谢谢你激励我开始写作，让我接触到能源公告．EB编辑:Bart Anderson, Kristin Sponsler和Simone Osborn提供了早期指导和良好的建议(加上即时读者)，这对Do The Math的起步至关重要。必威在线衷心感谢这些人!150万次的浏览量之后，他们的贡献显然已经产生了影响。

感谢你们，读者们，感谢你们让我们的努力成功而有回报。

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热泵创造奇迹

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［对这些材料的更新处理出现在第6章有限星球上的能源和人类野心(免费)教科书。］

我们不能指望经济增长无限期持续的部分理由是，效率的提高受到了限制。我们的许多能源应用都在理论效率限制的两倍之内，所以我们不能从这个橙色中榨取太多。毕竟，没有什么能超过100%的效率，不是吗?嗯，事实证明是有的一个我们可以愉快地打破这些束缚，并实现远高于100%效率的领域:热泵(包括冰箱)。尽管这听起来像魔法，但我们仍然必须在自然的物理限制内行动。在这篇文章中，我解释了这是如何可能的，并发展了热机和热泵的热力学极限。这是一个熵的故事。

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