link740 link741 link742 link743 link744 link745 link746 link747 link748 link749 link750 link751 link752 link753 link754 link755 link756 link757 link758 link759 link760 link761 link762 link763 link764 link765 link766 link767 link768 link769 link770 link771 link772 link773 link774 link775 link776 link777 link778 link779 link780 link781 link782 link783 link784 link785 link786 link787 link788 link789 link790 link791 link792 link793 link794 link795 link796 link797 link798 link799 link800 link801 link802 link803 link804 link805 link806 link807 link808 link809 link810 link811 link812 link813 link814 link815 link816 link817 link818 link819 link820 link821 link822 link823 link824 link825 link826 link827 link828 link829 link830 link831 link832 link833 link834 link835 link836 link837 link838 link839 link840 link841 link842 link843 link844 link845 link846 link847 link848 link849 link850 link851 link852 link853 link854 link855 link856 link857 link858 link859 link860 link861 link862 link863 link864 link865 link866 link867 link868 link869 link870 link871 link872 link873 link874 link875 link876 link877 link878 link879 link880 link881 link882 link883 link884 link885 link886 link887

Курс лекций по “Общей экологии”. Часть 1

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии. Он гласит: Энергия не создается и не исчезает. Для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Экология изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света. Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованная зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qконц < Qсол). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему и биосферу.

Второй закон термодинамики гласит: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). Этот закон называют законом энтропии. Теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает). В природе масса примеров однонаправленных процессов. Например, газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются, кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска. Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия (от греч. внутрь и превращение). Т.е. энтропия является мерой беспорядка, мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (ΔS) равно нулю при обратимых процессах или больше нуля — при необратимых процессах. Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности). Таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Второй закон термодинамики можно сформулировать также следующим образом: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100%. Существует еще одна формулировка закона: любой вид энергии в конечном счете переходит форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Отношения между растениями — продуцентами и животными — консументами управляются потоком аккумулированной растениями энергии, которая используется затем животными. Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных растениями и, в меньшей мере, хемосинтезирующими организмами. Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую — в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.

Согласно первому закону термодинамики энергия, поступающая в систему из четырех источников: от солнца, от дождя, в виде питательных веществ почвы и человека, машин, топлива. Она преобразуется в два потока: выносимую из системы энергию продуктов питания и рассеянную тепловую энергию. Энергия, участвующая в процессе производства продуктов питания, превращается в основном в рассеянную тепловую. Лишь небольшая часть ее сохраняется в продуктах. Согласно второму закону количество энергии, заключенной в продуктах, меньше общего количества поступившей энергии. Рассеиваемая теплота — это энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла, для всех энергетических процессов, в том числе и технологических, характерен переход от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»). Эту тенденцию потенциальной энергии к деградации выражают термином возрастания энтропии (ΔS). Одновременно энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок. Структуры, наделенные порядком, обладают низкой энтропией. Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют и живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться, а неживые системы приходится восстанавливать, используя внешнюю энергию, превращая ее в формы, практически недоступные для использования.

Согласно третьему закону термодинамики, при стремлении абсолютной температуры простых кристаллических тел к нулю абсолютное значение их энтропии также стремится к нулю.

Энергия характеризуется не только ее количеством, но и качеством. Чем более концентрирован энергетический поток, тем выше его качество — способность превращаться в другую форму энергии (или соотношение части энергии, способной сконцентрироваться и рассеиваемой части энергии). В пищевой цепи и цепи получения электроэнергии (рис. 6.9), включающей этап фоссилизации количество энергии всегда уменьшается, а ее качество увеличивается. Фоссилизация (от лат. ископаемый) — процесс превращения останков вымерших животных и растений в окаменелости путем замещения органических веществ минеральными.

clip_image024

Важнейшая особенность живых организмов, экосистем и биосферных в целом — это способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Следовательно, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается пре вращениями энергии без ее возникновения или исчезновения. Суть жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений.

Экология изучает способы превращения энергии внутри экосистем. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции. Энергия этих реакций переходит в энергию света, т. е. энергию квантов излучения, испускаемого Солнцем.

Для биосферы допустимо потребление на какие-либо иные нужды, кроме собственных, не более 1% от ее общей первичной продукции. Как только человечество на грани ХIХ и ХХ вв. стало использовать большее количество так, вероятно, с величины 0,5% от общей энергетики биосферы прекратилось действие компенсационного механизма на основе принципа Ле Шателье—Брауна: растительность прекратила давать прирост биомассы, пропорциональный увеличению концентрации СО2 в атмосфере.

Признан ориентировочный порог потребления 5—10% от суммы веществ, приводящий при переходе через него к заметным изменениям в природных системах . Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1% (правило 1%) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода си темы из стационарного состояния, а на уровне 10% — порог саморазрушения системы. Особое значение имеет момент выхода из стационарного состояния . Для глобальной энергетической системы (биосферы) этот процесс, по мнению Н. Ф. Реймерса, начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1—0,2% от величины общепланетарных процессов, т. е. намного раньше, чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье –Брауна. Происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.

Вы здесь: Главная Экология Курс лекций по “Общей экологии”. Часть 1