Лекции для студентов

Курс лекций по “Общей экологии”. Часть 1

Теории классической термодинамики

Некоторые ученые считают, что преобразования энергии в живой материи не могут в полной мере быть описаны теорией классической термодинамики. Так, К. М. Петров (1997) отмечает: «Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями — это классическая термодинамика и эволюционное учение Дарвина».

В соответствии с первой теорией дезинтеграция Вселенной неизбежна, если рассматривать ее как закрытую систему. Согласно второму закону термодинамики запас полезной энергии, приводящей «мировую машину» в движение, рано или поздно будет исчерпан, а энтропия будет расти. Рост внутренней неупорядоченности будет приводить к переходу высокоорганизованных структур к низкоорганизованным, т. е. к их разрушению.

В соответствии со второй теорией эволюции биосферы направление развития разнообразных форм жизни имеет противоположную тенденцию — от низкоорганизованных форм к высокоорганизованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры в противоречии с утверждением второго закона термодинамики. Упорядоченность природной экосистемы, т. е. структура ее биомассы поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из него неупорядоченность.

Экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне, в соответствии с законом термодинамики.

Способность живых организмов снижать неупорядоченность внутри себя иногда интерпретируют как способность накапливать отрицательную энтропию. Сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в экосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. Наличие в природе процессов, противоположных рассеиванию энергии, т.е. процессов накопления и концентрации солнечной энергии описывается законами энергетики и экономическими явлениями. Играет роль понятие человеческого труда, приводящего к аккумуляции полезной энергии, которая в свою очередь приводит к расширению запасов продуктов питания, повышает количество концентрированной солнечной энергии с помощью технических средств. Специфические уникальные функции преобразования рассеянной солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе выполняют растения. Анализ термодинамических функций хлорофиллового аппарата растений показывают, что они обладают антиэнтропийными свойствами. В. И. Вернадский (1928) подчеркивал, что появление жизни на Земле связано с накоплением в биосфере «активной энергии» при одной и той же исходной энергии Солнца.

Процессы биогенеза и техногенеза привели к тому, что «сложные органические соединения живого вещества оказались с еще большими запасами энергии, и законы энтропии если не нарушаются, то во всяком случае замедляются процессами жизни» (А. Е. Ферсман, 1937).

Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные упорядоченные структуры может встречаться в системах, далеких от равновесных но обладающих хорошо развитыми «диссипативным структурами», откачивающими неупорядоченность. Для поддержания внутренней упорядоченности в системе, находящейся при температуре выше абсолютного нуля, когда существует хаотическое движение атомов и молекул, необходима постоянная работа по «откачиванию неупорядоченности». Дыхание упорядоченной биомассы можно рассматривать как «диссипативную структуру» экосистемы. В экосистеме отношение общего дыхания сообщества (Д) к его суммарной биомассе (Б), т. е. Д/Б, можно рассматривать как отношение затрат энергии на поддержание порядка, необходимого для жизнедеятельности, к потенциальной энергии, заключенной в биомассе, т. е. как меру термодинамической упорядоченности. Если в закрытой системе без притока энергии резко увеличивается биомасса (Б), то уменьшаются затраты энергии, необходимые для полдержания упорядоченности системы (Д). Тогда она постепенно разрушается и в конце концов погибает. Эффективное использование энергии обеспечивает выживание систем в соперничестве с другими системами. Для оптимизации использования энергии природная система создает хранилища концентрированной потенциальной энергии, часть которой тратит на получение новой и поддержание порядка: обеспечивает круговорот веществ, обмен с другими системами, создает механизмы устойчивости и др.

Живая материя отличается от неживой способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, преобразовывать и концентрировать ее, чтобы противостоять росту энтропии. Следовательно, порядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулированной живыми организмами энергии.

Формы и качество энергии. Энергия существует во многих формах и видах: солнечная, тепловая, химическая, электрическая, атомная, энергия ветра, воды и др. Формы энергии различны по способности производить полезную работу. «Не все калории (или другие единицы количества) одинаковы, т. е. одинаковые количества разных форм энергии могут сильно различаться по своему рабочему потенциалу» (Ю. Одум, 1986). Энергия слабого ветра, прибоя, маломощных геотермальных источников может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой — высокой. Качество энергии, сконцентрированной в биомассе растений, животных, топливе, отличается от качества рассеянной тепловой энергии. Качество энергии характеризует ее способность совершать работу, т. е. ее эксергию.

Эксергия -это максимальная робота, которую совершает термодинамическая система при переходе и данного состояния е состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю энергии, участвующей в каком-то процессе, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Температура — это мера концентрации теплоты.

Если количество энергии Q имеет высокую температуру Т_в, а температура окружающей среды Т_о, меньше Т_в, то система совершает работу — Q/[(Т_в — Т_о)/Т_в].

Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Т_н <Т_в, то при условии Т_н > Т_о; система выполнит работу Q/[(Т_н — Т_о)/Т_н].

Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии. Безразмерная величина (Т_в — Т_о)/Т_в или (Т_н — Т_о)/Т_н может характеризовать эксергию или качество энергии Q. Она выражается в долях (меняется от Q до 1) или процентах. При Т_в = Т_о или Т_н = Т_о не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, то величина (Т- Т_о)/Т будет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100 %).

Следовательно, энергия характеризуется не только количеством, но и качеством, для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества. Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в биосфере, образует порядок и повышает эксергию некоторой части энергии.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии. Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений всегда сопровождается уменьшением количества и повышением качества энергии, аккумулированной на каждом этапе.

Сказанное иллюстрируется следующим образом,

Однако, такое видоизменение энергии условно. Многие исследователи пытались произвести расчеты количества энергии, аккумулированной на каждом трофическом уровне, в реальных экологических системах. Оказалось, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травоядных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии увеличивается на 1-2 порядка. Отсюда следует, что качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца.

ПРИМЕР. В табл. 3.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива.

Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнечный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его качество в 2000 раз.

Использование энергии в биосфере определяется количественным распределением и ее качеством. Солнечный свет падает на планету с энергией 2 кал_*см²_*мин^-1 (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, которая в биосфере распределяется следующим образом: отражается 30 %, превращается в теплоту 46 %, расходуется на испарение воды, осадки 23 %, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2 %, идет на фотосинтез 0,8 %.

Клетки растений, связывая на свету СО₂ и Н₂О образуют (СН₂О) — строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а экспортируемая в космическое пространство рассеянная энергия снижает свою эксергию. Под воздействием температуры, давления и др.факторов в течение тысяч и миллионов лет органические вещества превращались в торф, угол, нефть, т. е. энергия накапливалась в виде ископаемого топлива. В ХХ веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем. В поисках новых ресурсов топлива человечеству приходится осваивать месторождения, добыча ресурсов на которых становится все более дорогостоящей. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и пр.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

Пока не разработаны технологии концентрации энергии возможно использовать низкокачественную энергию для «низкокачественных работ»; например солнечную энергию для отопления зданий. При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом — использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.

Энергетические процессы рассматривают обычно как чисто физические, не предполагая, что мышление — это также энергетический процесс. Развитие умственных способностей связано с большими энергозатратами. Интеллектуальный труд является процессом, где используются высококачественные формы энергии. Ум и знание концентрируют в себе энергию, затраченную на обучение.