КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Эксергия- это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой
Живая материя отличается от неживой прежде всего способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, концентрировать ее и качественно преобразовывать, чтобы противостоять росту энтропии внутри себя. Экосистемы с энергетической точки зрения 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 законами термодинамики. Дыхание упорядоченной биомассы выполняет функции «диссипативных структур» экосистем. Без дыхания энтропия любой биосистемы растет, и она в конце концов погибает. 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 упорядочен-
Глава 3. Энергия в экосистемах Глава 3. Энергия в экосистемах
ности. Если в закрытой системе резко увеличивается биомасса (Б), то уменьшаются затраты энергии, необходимые для поддержания упорядоченности системы (Д), которая постепенно разрушается и погибает. 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. Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них запасенной потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться и поддерживать порядок, а машины приходится ремонтировать за счет внешней энергии.
Следовательно, порядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулирован-ной живыми организмами энергии. ■ Виды и формы энергии бывают самыми разнообразными. Обычно выделяют два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Кинетическая энергия зависит от скорости движения и массы материального объекта. Такой энергией обладают движущийся автомобиль, летящая пуля, электрически заряженные частицы и др. Потенциальная энергия - это «запасенная» энергия покоя, которая может быть использована. Это энергия камня, лежащего на земле, заряда динамита, внутренняя энергия атомного ядра, химическая энергия молекул бензина, угля, белков, жиров или любых других органических веществ, потребляемых с пищей. На самом деле единственным первоисточником энергии, обеспечивающим жизнь на Земле, является Солнце. Около 90 % энергии, идущей на нагревание Земли и зданий, - это не энергия топлива, а бесплатная и фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия. Если бы не эта энергия, температура на Земле была бы минус 270 °С и земная жизнь вообще не могла бы возникнуть. Солнечная энергия - это не только прямое солнечное тепло, но и различные вторичные формы энергии, возникающие при ее превращении в биосфере. К вторичным формам солнечной энергии относятся энергия падающей и текущей воды (гидроэнергия), ветра, биомассы растений, древесины, ископаемого топлива и др. Формы энергии различаются по способности производить полезную работу. Ю. Одум (1986) пишет: «Не все калории одинаковы, т. е. одинаковые количества разных форм энергии могут сильно различаться по своему рабочему потенциалу». Энергия слабого ветра, прибоя 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.
Поскольку первый закон термодинамики утверждает невозможность исчезновения энергии, то может создаться впечатление, что она всегда будет существовать в достаточном количестве. Однако бензин в баке автомобиля постепенно исчезает, так же как и энергия батарейки карманного фонарика. Если энергия не может исчезнуть, то что же мы теряем? Ответ один -мы теряем работоспособность энергии, т. е. ее качество.
Глава 3. Энергия в экосистемах Следовательно, энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Одинаковое количество энергии может совершать разное количество работы в зависимости от ее качества. Качество энергии - ее способность совершать работу, т. е. ее ЭКСерГИЯ (гр. вх - высшая степень, ergon - работа). Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы (температуры, давления и др.) от его значения в окружающей среде. Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Температура есть мера концентрации теплоты и средней скорости движения атомов и молекул в данный момент. Например, общее количество теплоты в океане огромно, но концентрация его низкая и средняя температура воды невысока. А чашка горячего чая обладает небольшим количеством теплоты, но концентрация ее высокая и температура тоже высока. Если количество энергии Q имеет высокую температуру Тъ, а температура окружающей среды Т0 меньше Тъ, то система совершает работу А1 = Q [Т в- Т0)/Т в. Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Тн < Тъ, то при условии Тн > Т0 система выполнит работу А7 = Q [Гн - TQ)/TH. Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией И,, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии А^, так как при одном и том же количестве энергии О эксергия ее в первом случае больше.
Безразмерная величина (Тъ - Т0)/Тъ или {Ти - Т0)/Ти может характеризовать эксергию, или качество энергии Q. Она выра- Глава 3. Энергия в экосистемах жается в долях (меняется от 0 до 1) или процентах (от 0 до 100 %). При Тъ = TQ или Тн = TQ не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, величина [Т- Т0)/Т будет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100 %). Энергия высокого качества характеризуется высокой эксергией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией. Носителями таких форм энергии являются: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, сконцентрированная солнечная энергия, ядра урана-235, высокотемпературное тепло. Энергия низкого качества характеризуется низкой эксергией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропией. Носителем такой энергии является низкотемпературное тепло, находящееся в окружающем воздухе, в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла в Атлантическом океане больше количества энергии во всех нефтяных месторождениях Саудовской Аравии. Но океаническое тепло настолько рассеяно, что его нельзя практически использовать для полезной работы, так же как и тепло, рассеянное в воздухе. Для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества. Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в экосистемах, образует порядок и повышает эксергию преобразованной части •нергии.
Дата добавления: 2014-11-18; Просмотров: 492; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |