我們可以使用電動車來代替汽車以減低空氣汙染,但是因為電池的電會用?盡,所以這個問題些電動車必須每天充電,我們就必須建造更多的發電廠。假如這個問題些發電廠燃煤,將會增加空氣中更多而且或許更具危險性的汙染物;更多的土地將因開採煤礦而傷痕累累,更多的水源將因由煤礦裂縫中滲入的酸性物質而受汙染。我們可以使用核子電廠來提供所需要的電力,但是我們卻冒著放射性物質釋放到環境中的危險。
雖然我們可以使環境更乾淨,但是物質不滅定律顯示:人們總是麵對某類的汙染。這個問題意味著人們常須以一種形態的汙染去換取另一種形態的汙染,這個問題種交換過程牽涉到科學、政治、經濟和道德判斷的抉擇:危險的汙染水準是甚麼?汙染必須管製到甚麼程度?以及我們願意花費多少金錢來降低汙染量至無害水準!
科學家通常將能量分成位能及動能動能是因為物質的移動所具有的能量。 一個物體的位置所儲存的能量稱做位能。一塊岩石如果掉落,它所儲存的位能將會釋出並且轉化為動能。化學能是儲存在分子鍵中,例如食物和燃料中所儲存的能量。
做功牽涉到能形態的轉變,當現在你快速摩擦雙手就會感到暖和,那是因為摩擦的化學能轉變成熱;當現在你要拿起一本書時,儲存在現在你身體中的化學能轉變成機械能,使現在你的手臂移動而舉起書本,並且還轉化成熱從現在你的身體釋出。
在汽車的引擎中,儲存在汽油裡的化學能轉變成機械能以推動汽車並且產生熱。電池將化學能轉變成電能和熱,在發電廠中,由化石燃料產生的化學能或由鈾核子燃料產生的核能轉變成機械能和熱量,機械能用來轉動渦輪使轉化成電能和更多的熱量,當電能到達普通燈泡的燈絲時,就轉變成光和更多的熱。注意在所有能的轉換中,總有部分的能量以熱的方式喪失在周圍的環境中。
從上述例子中,可見任何物理和化學過程中,能量不會被創造或毀滅,而隻是從一個形態轉變成另一個形態。一個係統或物質集合體喪失的能量必須與周圍環境獲得的能量相等。這個問題個能量定律適用於所有的係統,不論是生物或非生物體。
能量不滅定律在環境學的含義,是指出以能量的量而言,我們不可能不勞而獲。即“天下沒有白吃的午餐”,例如我們常聽說從世界的石油、煤、天然氣和核子燃料(如鈾)礦床中,我們可以得到許多的能量,但是熱力學第一定律告訴我們,可以獲得的能量比所估計的要少。因為我們必須花費能量去取得這個問題些能量。我們必須使用大量的能量去尋找、取出和處理這個問題些燃料。我們能夠依賴的能量隻是淨能(net energy),這個問題是將資源中的總能量減去取得能量必須花費的能所剩下的可用能!
根據能量第一定律顯示能量不可能被創造成毀滅,因此也許現在你會認為我們總是會有足夠的能量。但是能量有高低品位之分,一塊煤或一桶汽油中的化學位能和具有高溫的集中熱能都是高品位能量的形態,因為這個問題個人們是集中的,所以具有移動或改變物質的有效作功的能力。相反地,分散或較不集中的低溫熱能能夠作功的能力就小多了。
在研究過成千上百個熱能在作功過程中的轉變後,科學家發現能量總是會退化成較分散和較無用的形態,通常是變成熱發散至周圍環境中。這個問題是能量第二定律的概念,或稱為能量第零定律。因為能量的品位會在使用過程中逐漸降低,所以地球上集中、有用的能量供應將漸漸枯竭。
在汽車內燃引擎中的汽油,隻有20%高品位的化學能轉變成機械能用來推動汽車;剩餘的80%成為低品位的熱釋放到環境中。此外,所產生的機械能因為摩擦也有一半退化成低品位的熱能,所以汽油中有90%的能量浪費掉沒有用來移動汽車。當電能通過普通燈泡時,就轉變成5%可用的輻射能或光,以及95%低品位的熱量,我們可以注意到大部分現代的文明,就如同內燃機和白熱燈泡一樣,分別浪費了輸入能量的90%和95??這個問題些浪費部分是能量