Kiedyś napisałem notkę na ten temat, ale z perspektywy czasu widzę, że była zbyt trudna - np. wyjaśniłem w jaki sposób II Zasada Termodynamiki implikuje inflację, ale pojęcia entropii i inflacji są zbyt trudne dla ekonomistów. Teraz rozumiem, że edukowanie ekonomistów trzeba zacząć od poziomu bardziej podstawowego - od Zasady Zachowania Energii.
Tradycyjnie, nauczanie zasady zachowania energii zaczynamy od dawnego uproszczenia - od zasady zachowania materii. Pozwala ona przyswoić pewien ścisły sposób myślenia oparty na zasadzie "w przyrodzie nic nie ginie" i "coś nie powstaje z niczego". Ten sposób myślenia jest szczególnie trudny dla ekonomistów, którym wydaje się, że mogą tworzyć coś z niczego, np. tworzyć pieniądze, czy wywoływać inflację. Ekonomiści wierzą w cuda - to immanentny składnik ich profesji - dlatego tak trudno im zrozumieć gospodarkę. Zaczniemy więc edukację od najprostszych i najbardziej przyziemnych przykładów z życia.
Przykładem zachowania materii może być obieg węgla w przyrodzie. Węgiel nie ginie, nawet jeśli się go spali - po prostu ulatuje w powietrze niewidzialny, ale realny - w postaci dwutlenku węgla. Ten dwutlenek węgla m.in. powoduje, że świnia daje człowiekowi mniej pożywienia niż daje świni roślinna pasza, którą świnia zjada. Mówiąc językiem fizyki: energia paszy zjedzonej przez świnię zawsze jest większa, niż energia zgromadzona w świni.
W szczegółach taki uproszczony obieg węgla wygląda tak: Węgiel wchodzi w skład związków chemicznych o nazwach: węglowodany, tłuszcze i białka. Świnia zjada rośliny i wraz z nimi zjada węglowodany, tłuszcze i białka. Organizm świni przetwarza te związki chemiczne i buduje z nich swoje własne węglowodany, białka i tłuszcze - w uproszczeniu możemy powiedzieć, że organizm świni przetwarza węglowodany na tłuszcze i dwutlenek węgla, którego nie widać, więc niektórzy ludzie nie wierzą w dwutlenek węgla. Takim ludziom się wydaje, że świnia daje ludziom tyle samo jedzenia, ile zjadła, tylko w zmienionych proporcjach - więcej tłuszczu, mniej węglowodanów. Prawda jednak jest taka, że świnia bez przerwy wydycha do atmosfery węgiel w postaci dwutlenku węgla - świnia traci węgiel, który zjadła.
Świnia wydala też węgiel na inne sposoby, ale tego chyba nie muszę wyjaśniać. Oprócz wydalania istnieją też inne naturalne procesy np. rozkładu, budowy... Ogólnie nazywamy to wszystko przemianą materii - nie tylko węgla, ale także azotu, żelaza i innych pierwiastków. Przemianę materii opisuje zasada zachowania materii. Teraz wrócimy do naszego węgla przechodzącego przez świnię.
Przybliżony bilans przemiany materii u świni jest taki, że świnia daje człowiekowi tylko 10% tego (energii i materii), co zjadła. Czyli 90% zjedzonej karmy świnia wydycha, wydala i traci na różne inne sposoby.
Ponieważ prawa fizyki są uniwersalne, możemy świnię zastąpić czymkolwiek, np. elektrownią. Elektrownia zawsze wyprodukuje mniej energii, niż zużyje.
Zasada zachowania materii nie jest ścisła ani uniwersalna - służy tylko oswojeniu się z paradygmatem naukowym - z tym podejściem do świata ludzi rozsądnych: "cudów nie ma": "w przyrodzie nic nie ginie", "coś nie powstaje z niczego".
Ścisłe sformułowanie fizyczne tej podstawowej zasady jest następujące: Cudów nie ma - energia nie ginie ani nie powstaje z niczego.
Dopiero teraz, gdy się rozumie tę zasadę, można brać się do obliczeń, np. w ekonomii. Jeżeli z obliczeń wynika, że jakaś część energii zginęła, albo że energii zrobiło się więcej niż jej było, to znaczy, że obliczenia są błędne.
Podam prosty przyziemny przykład elektrowni na wodór. Spalamy w niej wodór (pierwszy raz). Dostajemy z tego wodę i prąd elektryczny. Kierujemy ten prąd do wody i otrzymujemy z niej wodór. Spalamy ten wodór w elektrowni i liczymy, ile wytworzyliśmy prądu (za drugim razem). Robimy bilans i z obliczeń wyszło nam, że tego prądu jest więcej niż prądu, który wytworzyliśmy za pierwszym razem. Jaki jest wniosek?
Wniosek dla fizyka jest oczywisty - w obliczeniach jest błąd. Dla ekonomisty nie jest to oczywiste - ekonomista sprawdza czy rachunki zostały wykonane prawidłowo. Jeżeli nie widzi w nich błędu, to ogłasza sukces: "Udało nam się ominąć prawo zachowania energii - wynaleźliśmy sposób otrzymywania dodatkowej energii z niczego dzięki nowej genialnej technologii". Co na to powie fizyk?
Fizyk powie, że mamy do czynienia z oszustwem - ktoś po kryjomu dodał energię do tego procesu: albo zaczerpnął prąd z zewnętrznej sieci energetycznej, albo do wodoru otrzymanego za pierwszym razem dodał trochę wodoru dostarczonego skrycie z zewnątrz. Obliczenia są więc błędne, gdyż nie uwzględniają tej energii, która została po kryjomu dodana do procesu.
Ponieważ prawo zachowania energii jest uniwersalne, każdy proces ma tę cechę, że daje za drugim razem mniej energii niż za pierwszym. A dlaczego mniej, a nie tyle samo? Ponieważ istnieje jeszcze inne prawo fizyki - II Zasada Termodynamiki: każdy proces powoduje straty energii - część wytworzonej energii rozprasza się i nie jest uwzględniona w bilansie. Jeśli bilans uwzględni energię rozproszoną, to za każdym razem - drugim, trzecim, ... - na końcu poprawnych obliczeń wyjdzie, że energii jest tyle samo ile było za pierwszym razem.
Można mnożyć przykłady bardziej złożonych procesów i zawsze wyjdzie to samo. Jeśli założyć, że rozpraszanie energii jest we wszystkich procesach podobne, to:
Energii elektrycznej wytworzonej w elektrowni na wodór otrzymany z metanu zawsze będzie mniej niż energii elektrycznej wytworzonej w elektrowni na metan.
Energia kinetyczna samochodu elektrycznego ładowanego prądem z elektrowni spalającej metan zawsze będzie mniejsza niż energia kinetyczna samochodu spalającego tyle samo metanu.
Lokomotywa na wodór zawsze wykona mniej pracy niż lokomotywa elektryczna, a najlepsza zawsze będzie lokomotywa spalająca to, czym pali się w elektrowniach.
Kiedy już się rozumie ten fundament, że żaden proces nie pomnaża energii, ale przeciwnie, każdy proces powoduje straty energii, wtedy możemy wykonać następny krok - zacząć liczyć to, co fizyka nazywa "sprawnością procesu" (SP), czyli 100%-SP=odsetek energii, który uległ rozproszeniu. Jak widać, SP podawany jest w procentach. SP mówi, ile procent energii zainwestowanej w proces zwraca nam się w postaci energii uzyskanej na końcu procesu. W następnej notce pokażę, że czasem droga okrężna (np. przez dwa sprawne procesy), jest lepsza niż jeden prosty, ale mało sprawny proces. Moje niedawne założenie, że "rozpraszanie energii jest we wszystkich procesach podobne" nie jest w ogólności prawdziwe. Spalanie węgla w parowozie jest procesem gorszym, niż spalanie węgla w elektrowni, przekazywanie energii elektrycznej do elektrowozu i rozpędzanie elektrowozu tą energią. Procent energii rozproszonej w parowozie jest w sumie większy niż procent energii rozproszonej w elektrowni, w sieci energetycznej i w elektrowozie. cdn.
