为什么你的客厅应该有一个瀑布

假设你住在一个闷热的气候，想要建造一个舒适和节能的新房子。你来找我，一个建筑工，问我们怎么给房子除湿，我告诉你在客厅里装个瀑布。

你解雇我后，我追上你，说服你让我解释。是的，流动的水似乎不可能带走空气中的水分，但这不是普通的瀑布。它有一种特殊的成分，它根据自然界最强大的原理之一——热力学第二定律运作。

请继续阅读这一现象背后的科学，以及一个家庭瀑布的真实例子。

回想一下你上节(可能是很遥远的)物理课，你会想起，在孤立系统中，能量趋向于熵。这个原则是激活和重新激活生物从梯度获得的工作。

这就是我在我的博客里写的“免费冲浪”最后一篇文章在现实世界中，这样的例子比比皆是。我画的是一棵树从土壤中吸取水分，它的叶子开始蒸发，形成一个梯度。

树有一个互补的梯度来帮助蒸发引擎，这也是基于第二定律。它是渗透。例如，在树根的细胞内部有选择性膜，允许一些分子(如水)通过，同时阻止另一些分子(如盐)通过。

当某些矿物质达到高浓度时，水将流入细胞以稀释较高浓度，并在膜两侧达到平衡。这种植物利用这种方法从土壤中提取水分，有时需要克服几十个大气压的负荷。

还有很多其他的例子。飞翔的鸟儿利用对流或热气流，漂浮的幼虫乘坐类似的流体梯度，最初由温度梯度产生的风搅动。

甚至土拨鼠也变得聪明起来，在不同的高度建造它们的家，以建立起室内风，这是拜伯努利效应所提供的。

也许对我们所有人来说，最重要的能量梯度发生在我们的身体细胞水平上。在上一篇文章中，我提到了自然能源系统中的几个关键组件。一种是能量的标准单位，三磷酸腺苷（ATP），它是一种糖磷酸分子，植物和动物都可以制造并利用它来推动其生物过程。

这种能量来自于从ATP中分离出一个磷酸盐，从而释放出化学键中储存的能量。然后这些能量被用来做细胞内的其他事情，比如制造蛋白质。在新剥离的二磷酸腺苷(ADP)中加入另一种磷酸，你就可以使用原来的动力单位ATP了。当你读到这篇文章的时候，你身体里的每个细胞都在进行数百万次的阅读。

ATP最吸引我的是它是如何制造的，它的制造依赖于梯度。无论是在动物的线粒体还是植物的叶绿体中，这种分子都是由自然界中最接近涡轮的物质ATP合酶构成的，ATP合酶是一种嵌入任何一种细胞器膜中的旋转转子。这个旋转的酶团由氢离子（质子）提供动力，氢离子（质子）流入线粒体，就像水通过磨盘一样。旋转产生的能量，使我们的标准动力装置，ATP。转子也可以反转，这次是由内部的ATP提供动力，将质子从线粒体中泵出。

膜两侧的氢离子梯度由细胞器维持。例如，线粒体将泵送外界离子的浓度，以便它们通过ATP合成酶转子，就像海滩上的一个孩子重新填充塑料水车使其旋转一样。同样地，物质的东西可能趋向于平衡，但生物正忙于维持不平衡，因为这就是所有工作的原因。

我们的瀑布是一个很好的伙伴，因此，它，它，也将节省你的能量冲浪第二定律。它也会利用浓度差，分子从高到低的浓度和压强。

它的秘密成分是加入水中的氯化钙。氯化钙，一种盐，是一种干燥剂，就像食盐和米粒一样，你把它们放进摇瓶里，让它自由流动。它是吸湿的，意思是它通过吸收或吸附从空气中吸引水分子。

我们这里有一个液体干燥剂系统，一个湿的流动特性可以把室内空气中的水吸走而节省很多能源。这些系统已经在商业和制造业中使用多年，减少了冰的形成、霉菌的生长和潮湿空气的其他后果。与标准的压缩空调不同的是，它们不需要把空气温度降低到足以将水沉淀出来，然后再用更多的能量将温度升高，以达到舒适的生活。

瀑布的想法来自马里兰大学的一群聪明的学生和教师，他们最近在一个模型绿色住宅中使用它，将一个功能机制转变成一个美学特征。由于他们的努力，他们的成绩获得了第二名叶家参加了2007年美国能源部的太阳能十项全能竞赛。

在我们所有的例子中，有一个点，能量必须被用来保持不平衡。线粒体必须泵出更多的离子，鸟儿必须拍打翅膀达到上升气流，孩子必须补充水轮。在这种情况下，干燥剂被从空气中收集的水稀释，梯度停止，多余的水必须从系统中清除。

正如这些系统中的典型情况一样，叶屋团队通过将水加热至蒸发并将其排放到外部，即所谓的系统再生阶段，解决了这一问题。为了降低能源成本，他们使用太阳能热水器而不是电。随着干燥剂再次浓缩，它准备做更多的工作，把水从空气中抽出来。

与许多被动和半被动气候控制系统一样，效率的魔鬼在于细节。其性能系数（COP）或输出与输入之比将取决于许多不同的因素，如温度范围、接触面和流量。然而，它是一个循环的、梯度驱动的、大部分是被动的空调系统，它在运用自然界最强大的原理方面做得很好。

在下一篇文章中，我将介绍一位建筑师，他设计并建造了两座获奖的建筑，将许多热力学原理应用到非常有用的工作中。

Tom McKeag教授在加利福尼亚艺术学院和加利福尼亚大学，伯克利生物启发设计。他是BioDreamMachine的创始人和总裁。BioDreamMachine是一家非营利性教育机构，为K12学校提供生物灵感设计和科学教育。

_{瀑布- CC执照威特桑和梨咬}