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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［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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［对这些材料的更新处理出现在第2章有限星球上的能源和人类野心(免费)教科书,也反映了2022年《自然物理》上的文章．．］
不久前，在一次晚宴上，我发现自己坐在一位颇有造诣的经济学教授旁边。寒暄之后不久，我对他说，“经济增长不可能无限期地持续下去”，只是想看看事情会如何发展。这是一次生动而有意义的谈话。我对经济学理论和物理约束之间的脱节感到有些震惊——这不是第一次了，但这次是近距离的亲身经历。虽然我的记忆力不够敏锐，无法逐字逐句地回忆我们的谈话，但我想我至少应该抓住要点，传达网球比赛的精髓——再加上一些娱乐价值。
角色阵容:物理学家，由我扮演;经济学家，由一所著名学府的知名经济学教授扮演。场景:宴席晚宴，分四幕(道菜)。
注意:因为我对自己的想法比我的谈话伙伴的想法有更好的记忆，所以这个消遣是不平衡的，以代表我自己的观点/话语。所以，虽然这看起来像是物理学家主导的对话，但这更像是我自己回忆能力的产物。我还应该说，我们桌子上的其他人并没有注意到我们的谈话，所以我不知道为什么我会认为这对读者来说是有趣的，如果这对桌子上的其他人来说都不够有趣的话!但现在……
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谁还没有享受太阳的热量?这样做代表了一种直接的能量转移——通过辐射——从太阳的热表面到你的皮肤。一平方米可以捕获约1000瓦，这与便携式空间加热器的输出相当。例如，一个黑暗的表面可以以接近100%的效率捕获能量，比太阳能光伏(PV)捕获效率高得多。我们已经看到太阳能光伏是一种超级丰富的资源，只需要覆盖约0.5%的土地就能满足我们的全部能源需求(当然，仍然很大)。因此，来自太阳的直接热能，比光伏更有效地收集，自动进入了丰富的俱乐部。让我们来评估一下围绕太阳能热的一些实际问题:无论是用于家庭取暖还是用于发电。
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［这一材料的更新处理出现在第2章有限星球上的能源和人类野心(免费)的教科书，也构成了2022年的基础《自然物理》上的文章．］
正如我们在以前的文章在美国，自1650年以来，美国的能源使用量以每年2.9%的典型速度增长。我们了解到这种能量增长率的延续任何形式的技术导致在短短几百年内的热计算(不是温和的全球变暖，而是沸腾的皮肤!)这对经济增长的长期前景说明了什么?
上个世纪的世界经济增长，以1990年美元不变表示。在本世纪上半叶，经济很好地跟踪了2.9%的能源增长率，但此后增长到5%，超过了能源增长率。
左图显示的是上个世纪全球经济增长率，由布拉德福德·德龙．最初，经济增长的速度与能源增长的速度一致。自1950年以来，美国经济以每年5%的速度增长，超过了能源的发展速度。这可能被视为好消息:我们并不一定需要实物增长来维持经济增长。但我们需要了解额外增长的来源，才能确信这种状况能够长期持续下去。毕竟，五十年并不意味着永远不变。
经济增长和能源增长之间的差异可以分为效率的提高(我们每单位能源提取更多的活动)和“其他一切”。后者包括与能源使用没有直接联系的经济活动部门。宽泛地说，这可以被认为是非制造业活动:金融、房地产、创新和“服务”经济的其他方面。作为一名物理学家，我关注的焦点是理解无限物理增长(即能源、食品、制造业)的不可能性是否意味着一般的经济增长也注定会结束或逆转。我们将从仔细研究效率开始，然后继续讨论更有活力的经济因素。继续阅读
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［这一材料的更新处理出现在第1章有限星球上的能源和人类野心(免费)教科书，也出现在篇文章中自然物理在2022年。
自工业革命以来，人类文明的能源消耗规模持续增长，令人印象深刻。能源信息署绘制的1650年以来美国能源使用数据(1635 - 1945，1949 - 2009(包括木材、生物质、化石燃料、水电、核能等)呈现出非常稳定的增长轨迹，年增长率为2.9%(见图)。理解未来能源增长的轨迹是很重要的，因为世界各地的政府和组织都是基于增长趋势将持续几个世纪的预期做出假设的，看看这个数字就知道这是一个完全合理的假设。(见这个更新对细微差别)。
美国自1650年以来各种形式的能源消耗总量。垂直刻度是对数，因此由恒定的增长率产生的指数曲线看起来像一条直线。红线对应的年增长率为2.9%。数据来源:EIA。
增长已经成为我们生存的支柱，以至于我们把它的延续视为理所当然。经济增长带来了许多积极的好处，比如汽车、电视、航空旅行和电子产品。生活质量提高了，医疗保健也改善了，除了需要记住的密码越来越多之外，随着时间的推移，生活往往会变得更加方便。增长还带来了对未来的希望，使人们有理由投资于未来的发展，期望获得投资回报。然后，增长是利率、贷款和金融行业的基础。
因为成长伴随着我们“无数”代人——这意味着我们所见过的每个人或我们的祖父母所见过的每个人都经历过——成长是我们叙述我们是谁和我们做什么的核心。因此，我们很难想象一个不同的轨迹。
这篇文章提供了一个惊人的例子，说明以目前的速度持续增长是不可能的——即使是在我们熟悉的时间范围内。为了方便起见，我们将能源增长率从每年2.9%降低到2.3%，这样我们就能看到每100年增长10倍。我们今天开始计时，全球能源使用率为12太瓦(这意味着世界公民平均拥有2000瓦的份额)。我们将从半实际的评估开始，然后在各个阶段让我们的想象力驰骋——即使到那时，我们发现自己比想象中更快地达到极限。我从一开始就承认，这种分析背后的假设存在严重缺陷。但这最终成为了重点。
一个小时到达地球的太阳能相当于我们一年所消耗的太阳能，这一事实一直令我印象深刻。这样的声明带来了多大的希望啊!但我们先不要得意忘形。
只有70%的入射阳光进入地球的能量收支，其余的立即被云层、大气和陆地反射而没有被吸收。此外，作为陆地生物，我们可以考虑将太阳能电池板限制在占全球28%的陆地上。最后，我们注意到太阳能光伏和太阳能热电厂的运行效率往往在15%左右。让我们假设这个计算是20%。净效果约为7000太瓦，约为我们目前使用量的600倍。空间很大，对吧?继续阅读
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