Лекция 7. Энтропия и тепловое излучение Земли

Энтропия и тепловое излучение Земли

В настоящее время значительное внимание уделяется проблеме устойчивости развития био- и техносферы, охраны окружающей среды, и в частности, вопросам защиты природной среды от тепло­вых загрязнений, возникающих при работе энергетических комплек­сов. Рассмотрим данную проблему с позиций второго начала тер­модинамики. Роль фундаментального понятия энтропии проявляется не только в техногенной деятельности, но и гораздо шире, включая вопросы устойчивости экосистемы человека. Прави­льно руководствуясь объективно действующими в природе закона­ми сохранения и превращения энергии и возрастания энтропии можно с успехом решать экологические проблемы.

1. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

ЗАКОН ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ

Напомним, что вечным двигателем первого рода является вооб­ражаемая машина, которая будучи однажды запущенной, произ­водила работу неограниченно долгое время без получения внешней энергии. Создание такой машины противоречит законам сохране­ния и превращения энергии.

Вечный двигатель второго рода – это машина, которая получа­ет тепловую энергию от какого-либо внешнего источника, полно­стью преобразует эту тепловую энергию в механическую, совершая круговой цикл, и затем повторяет этот процесс. Действие такой машины не противоречит закону сохранения и превращения энер­гии, но противоречит второму началу термодинамики. Этот основ­ной закон термодинамики, закон возрастания энтропии, гласит: «в замкнутой или изолированной в тепловом и механическом отноше­нии системе энтропия остается постоянной (в случае равновесных процессов), либо возрастающей (в случае неравновесных процессов) и достигает максимума в состоянии равновесия». Как следствие этого, невозможен переход теплоты от более холодного тела к бо­лее нагретому без каких-то других изменений в окружающей среде (Р. Клаузиус); невозможен вечный двигатель второго рода (В. Ост­вальд, У. Томсон, М. Планк).

Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) S, введена в 1865 г. Р. Клаузиусом, который открыл закон возрастания энт­ропии (или второй закон термодинамики). Статистическое обосно­вание этого закона дано Л. Больцманом.

Энтропия – фундаментальное понятие статистической физики. Представим себе систему F, обладающую энергией Е и име­ющую N(E) доступных состояний в пределах от Е до Е+δЕ, где δЕ – бесконечно малый промежуток по шкале энергий. При этом величина интервала 8Е может быть достаточно большой, на кото­ром уменьшается большое число состояний Разбиение ин­тервала по шкале энергий от Е до Е+ ЬЕ облегчает задачу подсчета числа доступных состояний М(Е). Энтропия рассматриваемой си­стемы Е тождественно определяется выражением:

S = k ln N (E) (1)

где k – постоянная Больцмана.

Как видно из этого выражения, S имеет размерность энергии и является логарифмической величиной числа доступных состояний N (E) системы F. Отметим, что энтропия не зависит от величины интервала энергии δЕ.

Выражение (1) является количественной мерой молекулярного «беспорядка» в системе. Энтропию можно выразить другим соот­ношением, связывающим теплоту и температуру. Если система получает приращение теплоты Δ Q, то энтропия изменяется на Δ S:

(2)

Отсюда видно, что энтропию можно определить с помощью измерения теплоты и температуры. Выражение (2) можно напи­сать, используя теплоемкость С_x(Т) системы:

(3)

Если T →0, то S →0 (3-й закон термодинамики), при этом тепло­емкость С_х (T)→0. При низких T энтропия S чрезвычайно мала, что соответствует тому факту, что система обладает относительно ма­лым числом состояний. В этом случае система в значительно боль­шей степени упорядочена, чем в случае более высоких температур. Например, электронные спины у некоторых веществ при низких температурах полностью ориентированы в одном направлении (бо­льше «порядка» в системе), что превращает их в постоянные маг­ниты.

2. ВЕРОЯТНОСТНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЭНТРОПИИ

Понятие энтропии, как показателя термодинамической некачественности энергии, имеет большое значение не только в физике, химии, биологии, но и экологии для решения проблем окружающей среды. Энтропия – понятие вероятностное, которое показывает, что тот или иной процесс может происходить в системе с определен­ной вероятностью. Любая система стремится прийти к равновес­ному состоянию, а энтропия при этом увеличивается и стремится к максимуму: «Энтропия системы может быть уменьшена только в том случае, если система взаимодействует с другой или с другими системами таким образом, что в процессе взаимодействия проис­ходит компенсирующее увеличение энтропии». При этом, можно сразу исключить некоторые способы осуществления процессов или проектов на том основании, что они не осуществимы, когда:

Δ S _∑= Δ S ₁ + Δ S ₂<0, (4)

где Δ S _∑ – общая энтропия внешней системы, включающей в себя системы 1 и 2.

Приведенное условие не может быть выполнено (принцип запре­та), всегда имеем:

Δ S _∑ ≥ 0. (5)

Во-вторых, на основании этого положения всегда можно вы­брать наиболее эффективный путь из большого числа вероятных. Однако энтропия не подсказывает, каким образом это сделать.

Приведем два примера, поясняющих вероятностное содержание энтропии. Первый пример относится к области теплотехники, второй – биохимии.

3. ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ

Под диссипацией (рассеянием) энергии в общем виде понимается переход части энергии неупорядоченных процессов, в конечном итоге – в теплоту. Системы (структуры), в которых при протека­нии каких-либо процессов полная энергия уменьшается, переходя в другие виды энергии (например, в теплоту), называются диссипативными. Примерами таких структур являются системы «зву­ковая волна – поглощающий материал», «падающее электромаг­нитное излучение – поглощающая среда», «вибратор – упругая площадка», «движущееся автомобильное колесо – шоссе», любой движущийся предмет по поверхности другого тела при наличии трения и т. п. В любом из приведенных примеров энергия упорядо­ченного процесса в конце концов превращается в теплоту. Энтропия всей системы растет, а вместе с этим растет и «беспорядок» в систе­ме. Если рассматривать открытые термодинамические системы, то энтропия становится сложной функцией, зависящей от многих пара­метров. Понятие энтропии распространяется и на живые организ­мы, обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой. В равновесных системах энтропия принимает максимальное значе­ние, что свидетельствует о большом «беспорядке» в них. Тогда возникает вопрос, как появляются упорядоченные структуры из этого равновесного «беспорядка». Почему в природе наблюдается не «свалка» атомов, молекул, частиц, а макро- и микроорганизмы, объекты живой природы и другие упорядоченные структуры, воз­никающие из равновесного «хаоса»? Почему происходит «самопро­извольное» возникновение упорядоченных структур в равновесных системах при большом числе свободных состояний? Самопроиз­вольно возникшие упорядоченные структуры именно самопроиз­вольностью отличаются от упорядоченных структур, созданных человеком. В то же время, человек, как высший продукт эволюции биосферы, является продуктом самопроизвольного возникновения и развития жизни. Особый интерес представляют неравновесные открытые упорядоченные системы, так совершенные у живых ор­ганизмов. Нарушается ли закон возрастания энтропии? Нет, не нарушается: «Каждая неравновесная открытая упорядоченная система, например, биологическая, генерирует рост энтропии как внутри себя, так и в окружающей среде. Суть дела в том, что организм в состоянии регулировать и даже уменьшить свою соб­ственную энтропию за счет извлечения из окружающей среды высо­кокачественной энергии вещества и вывода в среду отработанных низкокачественных веществ и энергии. В системе «организм+среда» энтропия, конечно, возрастает. Более интересно другое: энтропийный подход позволяет понять основы самопроизвольного возникновения упорядоченных структур в открытых системах так же хоро­шо, как и в случае равновесных структур». Согласно И. Пригожину...– (бельгийский физик, лауреат Нобелевской премии 1977 г. по химии «за вклад в теорию неравновесной термодинамики, в особен­ности в теорию диссипативных структур и за ее применение в химии и биологии»)...– определяющим свойством открытой неравновес­ной структуры является индуцированный ею рост суммарной энт­ропии за счет понижения качества протекающих через нее энергии и вещества».

4. СВОЙСТВА ЭНТРОПИИ ДЛЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ СТРУКТУР.

ПИРАМИДА ЭНТРОПИИ

Процессы в неравновесных системах характеризуются следу­ющими свойствами.

1. Неравновесные структуры приходят в равновесное состояние в случае отсутствия факторов, удерживающих эти структуры в нера­вновесном состоянии. Если исходное состояние отличается сильной неравновесностью и возникающие процессы достаточно интенсив­ны, то на фоне общего стремления системы к равновесию появляет­ся подсистемы, в которых энтропия уменьшается локально. Эти подсистемы представляют значительный интерес. В них сама собой увеличивается упорядоченность. Однако суммарная энтро­пия для общей системы с учетом внешних систем увеличивается, т.е. нарушение закона возрастания энтропии не происходит. Локальное уменьшение энтропии в какой-либо подсистеме происходит «само по себе». Для обеспечения этого процесса необходимо неравновес­ное состояние с достаточно малой энтропией, но, подчеркнем, об­щая энтропия всей большой системы увеличивается.

Локальное уменьшение энтропии в изолированной подсистеме быстро возвращается в равновесное состояние.

В случае открытых систем возникают упорядоченные подсисте­мы, представляющие собой диссипативные структуры, которые пи­таются мощными потоками энергии и энтропии, внешними систе­мами, но, опять-таки, суммарная энтропия в совокупности систем увеличивается. Иными словами, если в какой-то системе возникает устойчивая упорядоченность нового качества с низким значением энтропии суммарное увеличение энтропии совокупности взаимодей­ствующих структур значительно превосходит по величине указан­ное выше уменьшение энтропии в отдельной подсистеме. Выража­ясь фигурально, «просто так нечто из ничего не возникает, за все нужно чем-то платить».

2. При наличии локального состояния с низкой энтропией в какой-то подсистеме, происходит значительное ускорение роста сум­марной энтропии для всей системы.

3. Упорядоченные состояния (диссипативные структуры) реаги­руют на малые внешние воздействия с большей чувствительностью и разнообразием, чем равновесные термодинамические системы в равновесном состоянии. Возникновение самой диссипативной си­стемы является проявлением неустойчивости в неравновесном не­упорядоченном состоянии. Причем, возникновение новой диссипативной структуры возможно при наличии некоторой исходной диссипативной системы.

Поясним сказанное несколькими примерами. Лазерное излуче­ние, являясь экологически чистым направленным потоком когерент­ной электромагнитной энергии, представляет собой диссипативную структуру, в которой за счет создания инверсной населенности (сугубо неравновесный процесс) на энергетических уровнях рабочей среды с помощью другой внешней системы происходит индуциро­ванная генерация строго сфазируемых квантов. Энергия квантов вынужденного излучения при этом соответствует разности энергий уровней излучательного перехода с верхнего лазерного уровня на нижний уровень. При отсутствии инверсной населенности и внешне­го индуцированного воздействия происходит спонтанное беспоря­дочное излучение при переходе возбужденных частиц рабочей среды на нижние энергетические уровни, система переходит в равновесное состояние.

Создание инверсной населенности в рабочей среде является не­обходимым условием получения экологически чистого лазерного излучения, но недостаточным. Для обеспечения работы описывае­мой подсистемы требуется наличие оптического резонатора, подбор рабочей среды, ее накачка внешними источниками энергии и т. п. Причем, если принять КПД лазера равным 10%, что является средней величиной для некоторых газовых оптических квантовых генераторов (для твердотельных ОКГ эта величина еще меньше), то 90% подводимой внешней энергии бесполезно рассеивается в виде тепловых загрязнений в окружающую среду. Иными словами, срав­нительно низкое значение энтропии для лазерной подсистемы, об­ладающей высоким качеством энергии излучения, обеспечивается значительно большим приращением энтропии для всей общей си­стемы, включая внешние источники накачки и окружающую среду.

Приведем пример из биологии. Экологическая пирамида био­массы является одновременно энтропийной пирамидой, опира­ющейся на нижние уровни пирамиды биосферы, включая неживую природу. Чем выше уровень в энтропийной пирамиде, чем меньше энтропия этого уровня, но для обеспечения такого состояния требу­ется большего увеличения энтропии нижележащих уровней, т. е. всей пирамиды. По мере повышения уровня в энтропийной пирами­де повышается его неустойчивость, так как увеличивается число нижележащих уровней, которые, в свою очередь, должны быть обеспечены. Из всех возможных упорядоченных подсистем остают­ся устойчивыми только такие подсистемы, которые эффективно и наиболее быстро уменьшают свою энтропию за счет еще более быстрого увеличения энтропии всей пирамиды (системы) в целом. При этом вся неравновесная система под действием подсистемы с низкой энтропией интенсивно переходит в равновесное состояние. Это приводит к быстрому истощению всех внешних систем, питающих упорядоченную подсистему. В этом состоит глубокое проти­воречие диссипативных структур, в этом состоит и противоречие взаимодействия человека с окружающей средой. Для поддержания комфорта жизни человека распыляется высококачественная энергия живой и неживой природы.

5. ЭНТРОПИЯ, БИОСФЕРА, ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Рождение жизни на Земле, ее развитие и существование, ант­ропогенная деятельность находятся в строгом соответствии со вто­рым началом термодинамики – заколом возрастания энтропии. Этот закон показывает, как и каким образом происходит неизбеж­ное ухудшение качества окружающей среды для достижения глав­ной цели – обеспечения существования жизни на планете и устой­чивого развития.

Необходимые и достаточные условия существования систем. Для эволюции упорядоченных систем и их существования требуются необходимые и достаточные условия:

- необходимы источники, снабжающие системы веществом, энергией с низкой энтропией;

- возможность избавления от отходов, обладающих высокой энтропией.

Особенность живого организма состоит в том, что он поддержи­вает себя на сравнительно низком уровне энтропии, пользуясь высококачественной энергией, за счет возрастания энтропии окру­жающей среды, а условием существования жизни является достато­чность энтропийных запасов окружающей природной среды. Для обеспечения жизни окружающая среда должна находиться в «до­статочном упорядоченном состоянии». В ней должны находится ряд питающих подсистем: солнечное излучение, воздух, вода, минера­лы, растения, животные и т. п. Существование и развитие жизни создают новые высокоупорядоченные системы, но при этом ускоря­ются процессы возрастания энтропий. В окружающую среду (в космос) выносятся низкокачественные потоки энергии (длинновол­новые излучения) и другие отходы человеческой цивилизации. Жизнь создает актуальную упорядоченность из неактуальной не­упорядоченности. При этом происходит увеличение энтропии в не­актуальной части общей системы. В нашем случае актуальной под­системой является биосфера на Земле, неактуальной – космическое пространство, откуда приходит солнечное излучение, дающее жизнь на Земле. Туда же, в космическое пространство, рассеивается излу­чение с земной поверхности. Это излучение обладает большей энт­ропией, т. е. более низким качеством энергии, чем поток солнечного излучения. Поэтому рост упорядоченности в биосфере Земли с боль­шим избытком оплачен увеличением энтропии Вселенной. Главное при этом заключается в том, что происходит перемещение роста энтропии в неактуальные части системы. Таким образом, в полном согласии с законом возрастания энтропии достигается локальное уменьшение энтропии в актуальных для жизни человека подсисте­мах. В действительности, нет ни одного процесса в жизни, где нарушался бы закон возрастания энтропии. Все процессы в биосфе­ре связаны с этим законом. Человек, как высший продукт живой природы, находится на верхнем уровне энтропийной пирамиды, где ее значение имеет очень малое значение, но устойчивость этого уровня обеспечивается за счет значительного возрастания энтропии нижележащих уровней и других питающих подсистем. Положение уровня человека весьма чувствительно к любым внешним воздейст­виям и требуется большой набор дополнительных достаточных условий, обеспечивающих относительную стабильность существо­вания этого уровня, сложившегося в ходе длительных процессов эволюции живой материи. Мало того, что для обеспечения челове­ческой жизни нужны воздух, вода, пища, жилище, солнечное излуче­ние и многое другое, но требуется, чтобы вода и воздух были чистыми. Такие, к каким привык человек за долгие годы эволюци­онного развития. Требуется большой набор биотических и аби­отических факторов, обеспечивающих достаточность устойчивости жизни. Быстрое изменение одного из этих факторов может нару­шить устойчивость уровня в пирамиде, где находится человек. Ни состав воды, ни состав воздуха и т. д. не должны быстро меняться от состава, сложившегося за эволюционный период. Если, напри­мер, абиотические факторы меняются (состав воды, воздуха и т. п.), то скорость этих изменений должна быть такой, чтобы успевал срабатывать механизм адаптации живого организма. Необходимые (обязательное наличие низкой энтропии открытой подсистемы за счет большего прироста энтропии внешних питающих систем) и до­статочные (набор биотических и абиотических факторов, постоян­ных или меняющихся со скоростью адаптации) условия обеспечива­ют устойчивость жизни в биосфере. Необходимо отметить, что эти условия не охватывают все стороны многогранной жизни человека и общества с его наукой, культурой, производством, искусством, этикой, моралью и т. д., однако они являются фундаментом и кар­касом здания, в котором живет и творит человек.

Энтропия Земли. Планета Земля вместе с живой и неживой природой представляет собой сложнейшую самостоятельную экоси­стему, в которой нужно заботиться о ее состоянии, способном обеспечить существование жизни. Для этого необходимо, чтобы имелись, во-первых, источники, в которых будет происходить воз­растание энтропии в системе «Земля – космос» за счет уменьшения энтропии в ноосфере, во-вторых, необходимы способы избавления от отходов человеческой цивилизации. Важнейшим источником эне­ргии с низким значением энтропии является солнечное излучение, которое обеспечивает жизнедеятельность биосферы, протекание различных неравновесных процессов, включая фотосинтез и другие биохимические и биофизические реакции.

Длинноволновое тепловое излучение Земли, уходящее в космос, уносит часть «отходов» в виде приращения энтропии, как неизбеж­ного побочного продукта многих земных процессов естественного и техногенного происхождения. Баланс энергии при этом сохраняет­ся. Главное заключается в том, что солнечная энергия обладает более низкой энтропией (следовательно, более высоким качеством энергии), чем уходящее в космос длинноволновое излучение Земли, обладающее более высокой энтропией (следовательно, более низ­ким качеством энергии). Иными словами, Земля получает от Солнца качественную энергию с низкой энтропией, а отдает в космос некачественное излучение с высокой энтропией и, таким образом, «очищается» от избытка энтропии. Последний процесс также важен, как и первый процесс получения качественного солнечного излуче­ния. Эти две стороны пока не вызывают беспокойства: солнечного излучения хватит на миллионы лет, а приращение энтропии во Вселенной за счет поступления избытков энтропии от антропоген­ной деятельности ничтожно мало. Вопрос в другом. В результате научно-технической революции и научно-технического прогресса нарушается устойчивое равновесие системы «человек – среда». В настоящее время настолько много различных видов загрязнений биосферы, что требуются специальные дополнительные меры для их утилизации. Но с другой стороны, для их утилизации требуется энергия и средства. Это вызывает приращение энтропии в других областях, которые поставляют эту энергию и средства.

Возникает заколдованный круг, одно место очищают, пере­двигая отходы в другое место, аналогично тому, что дымовая труба строится выше с тем, чтобы продукты выхлопа уносились по воз­можности дальше, в соседнюю область. Если рассматривать в це­лом весь Земной шар, то категория «чистое производство», «полная утилизация» при глобальном балансе представляет собой избавле­ние от своих отходов за счет увеличения их суммарного количества на планете. Для выхода из этого порочного круга можно рассмот­реть два пути:

- лучше и эффективнее использовать солнечное излучение;

- найти и ввести новые источники энергии с низкой энтропией.

По первому способу возможно в недалеком будущем в космосе создать приемники солнечного излучения в виде совершенных гелиобатарей и передавать эту энергию на Землю.

По второму способу можно использовать атомную или термо­ядерную энергию. При этом имеем низкую энтропию процессов высвобождения энергии при превращении атомных ядер. Однако, при все увеличивающемся росте энергопотребления (например, в 10² раз больше, чем в настоящее время) снова встанет проблема захоронения радиоактивных отходов в огромных количествах и из­бавления от тепловых загрязнений. Бросовое тепло от атомных станций и других источников энергии вызовет существенный нагрев атмосферы, гидросферы, литосферы, что является серьезной угро­зой, нарушающей устойчивое равновесие.

Дата добавления: 2014-01-11