xi
Contents
1 Do Nothing: The Danger of Believing in a World Without Limits . . .
1
1.1 Living Large: The American Dream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 The American Way of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2.1 The Pursuit of Happiness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3 No Going Back: Impossible to Do Nothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3.1 Humans in the Ecosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3.2 Creating the Technosphere (30,000 BCE) . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3.3 The Holocene (11,700 Years) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.4 Human Civilization (2500 Years) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.4 Relative Comfort and Quality of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.4.1 Standard of Living Disconnected from External
Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Sustainable Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 The Energy Essential: Physical Forces Animate All Things . . . . . . . . 15
2.1 Design Shapes the Natural World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Powering the Four Industrial Revolutions . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 What Is Energy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 More Precise Energy Terms: Exergy, Anergy,
and Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Four Primary Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Electrochemical Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Sharing Knowledge Accelerates Energy-Intensive Inventions . . . . 22
2.5 Sadi Carnot’s Caloric Thermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 First Three Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Zeroth Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Joule: The Official Energy Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.1 Power Is Flowing Energy Measured Over Time . . . . . . . . . 28
2.7 Chemical Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Contents
1 Do Nothing: The Danger of Believing in a World Without Limits . . .
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1.1 Living Large: The American Dream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2 The American Way of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.1 The Pursuit of Happiness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3 No Going Back: Impossible to Do Nothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.1 Humans in the Ecosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.2 Creating the Technosphere (30,000 BCE) . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.3 The Holocene (11,700 Years) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.4 Human Civilization (2500 Years) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.4 Relative Comfort and Quality of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.4.1 Standard of Living Disconnected from External
Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Sustainable Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 The Energy Essential: Physical Forces Animate All Things . . . . . . . . 15
2.1 Design Shapes the Natural World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Powering the Four Industrial Revolutions . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 What Is Energy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 More Precise Energy Terms: Exergy, Anergy,
and Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Four Primary Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Electrochemical Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Sharing Knowledge Accelerates Energy-Intensive Inventions . . . . 22
2.5 Sadi Carnot’s Caloric Thermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 First Three Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Zeroth Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Joule: The Official Energy Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.1 Power Is Flowing Energy Measured Over Time . . . . . . . . . 28
2.7 Chemical Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30