Первый закон термодинамики - закон сохранения энер­гии - гласит: энергия не создается и не исчезает, она пре­вращается из одной формы в другую

Энергия - одно из основных свойств материи - способ­ность производить работу.

Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на рабо­те, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие согласно фундаментальным законам физики.

Законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Лауреат Нобелевской премии Ф. Садди писал: «За­коны термодинамики определяют взлеты и падения политических систем, свободу и ограничения государств, развитие торговли и промышленности, причины богатства и нищеты, благосостояние человечества».

Для управления энергетическими процессами прежде всего необходимо понять роль энергии в экологических системах.

Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни людей наиболее соответствует природным возможностям биосферы. Ясно, что будущее зависит от объединения энергети-

ки, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимо­связанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия - это тот фундамент, который позволяет природные ценности переве­сти в разряд экономических, а экономические - оценивать с позиций экологии.

Природные экологические системы могут служить моделью общих принципов функционирования систем, основанных на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет. Изучив движение потоков энергии в природ­ных экосистемах, можно познать многие законы, справедливые для антропогенных систем.

Несмотря на огромное разнообразие биосистем, приспособ­ленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фото­синтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем.

Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.

Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее при­годную для использования и наиболее легко рассеиваю­щуюся.

Действительно, солнечная энергия Q_сопн, получаемая поверх­ностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентриро-

Глава 3. Энергия в экосистемах

ванной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Q _солн = q_расс + q _конц

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превра­титься в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразо­ванной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомас­сы, намного меньше поступившей (q_конц < Q_coлн) Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис. 3.1).

То же самое происходит в антропогенных сельскохозяйствен­ных экосистемах. На рис. 3.2 показаны потоки энергии, обеспе­чивающие работу фермы. Схема представляет четыре потока энергии, поступающие от солнца Q _согн, с дождем q _д, питательными веществами q _{пв i}, работой человека и машин q_ч, которые взаимодейст­вуют в процессе производства продуктов питания.

Согласно первому закону термодинамики энергия, поступаю­щая в систему из четырех источников, преобразуется в два пото­ка: выносимую из системы энергию продуктов питания q_n и рас-

Глава 3. Энергия в экосистемах

сеянную тепловую энергию q _т.

Q_{с олн} + q_д + q_п.в + q_ч = q_т+ q_п

Согласно второму закону количество энергии, заключенной в продуктах питания, значительно меньше общего количества по­ступившей, которая превращается в основном в рассеянную теп­ловую энергию q_т:

q_п < Q_{c олн} + q_д+ q_п.в + q_ч

Рис. 3.2. Потоки энергии, обеспечивающие работу срермы (по Г. Одуму и Е. Одуму, 1978)

Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным све­том и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света.

Отношения между растениями - продуцентами и животными -консументами управляются потоком аккумулированной растениями солнечной энергии. Весь живой мир получает необходимую энер­гию в основном из органических веществ, созданных растениями.

Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельно­сти зеленых растений, содержит потенциальную энергию хими­ческих связей, которая при потреблении ее животными организ­мами превращается в другие формы.

Животные, поглощая пищу, также меньшую ее часть превра­щают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими

Глава 3. Энергия в экосистемах

Глава 3. Энергия в экосистемах

протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Например, наше тело постоянно излучает такое же количество тепла, как электричес­кая лампочка мощностью 100 ватт - вот почему в переполнен­ной людьми комнате жарко.

В технических системах происходит то же самое. При движе­нии автомобиля в механическую энергию движения и электри­ческую энергию всех его систем превращается лишь около 10 % энергии сгорающего бензина. Остальные 90 % в виде бесполез­ного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются для нас в космическом пространстве. Энергия потребленного бензина не исчезает, а превращается в формы, практически недоступные для использования. При горении элек­трической лампы только 5 % электрической энергии, проходя­щей через проволоку лампы накаливания, превращается в полез­ное световое излучение, а 95 % теряется в виде рассеянной тепловой энергии.

Рассеиваемая теплота есть энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла. При всех энергетических процессах, в том числе и технологических, происходит переход системы от более высокого уровня органи­зации («порядка») к более низкому («беспорядку»).

Для определения степени неупорядоченности состояния систе­мы употребляют термин энтропия (гр. ел-внутрь, trope- превращение). А

тенденцию потенциальной энергии к деградации, к самопроизволь­ному превращению в рассеянную тепловую энергию называют возрастанием энтропии.

Энтропия является физической мерой беспорядка, т. е. мерой количества связанной потенциальной энергии, которая становится недоступной для использования.

Высокоупорядоченные системы обладают низкой энтропией, а неупорядоченные, в которых вещество или энергия рассеяны, характеризуются высокой энтропией (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Примеры систем с низкой и высокой энтропией

Таким образом, в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходят потери полезной энер­гии, которая переходит в менее полезную, рассеивающуюся в виде низкотемпературного тепла и не способную выполнять ра­боту. В то же время в природных экосистемах энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных ве­ществ порядок, т. е. структуры, обладающие низкой энтропией.

Преобразования энергии в живой материи имеют свои особенности и на первый взгляд не согласуются с теорией клас­сической термодинамики. К. М. Петров (1997) отмечает: «Зако­ны развития живой и косной материи описываются двумя противопо­ложными теориями - это классическая термодинамика и эволюцион­ное учение Дарвина».

Глава 3. Энергия в экосистемах

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

В соответствии с теорией эволюции направление развития разнообразных форм жизни в биосфере имеет противополож­ную тенденцию - от низкоорганизованных форм к высокооргани­зованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры как бы вопреки утверждению второго закона термодинамики.

Многие теоретики давно были обеспокоены тем фактом, что сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в экосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. На недостаточ­ность второго закона термодинамики еще в конце прошлого века обратил внимание украинский ученый С. А. Подолинский (1850 -1891). Он подчеркивал наличие в природе процессов, противопо­ложных рассеиванию энергии: процессов накопления и концентра­ции солнечной энергии. С. А. Подолинский приложил законы энергии к экономическим явлениям и показал роль человеческо­го труда в аккумуляции полезной энергии: расширении запасов продуктов питания, повышении количества концентрированной солнечной энергии, в том числе с помощью гелиотехники.

К. А. Тимирязев (1903), анализируя термодинамические функции хлорофиллового аппарата растений, считал их анти­энтропийными процессами, так как они приводят не к рассеи­ванию, а к концентрации солнечной энергии.

В. И. Вернардский (1928) подчеркивал, что появление жизни на Земле связано с накоплением в биосфере «активной энер­гии» при одной и той же исходной энергии Солнца.

Глава 3. Энергия в экосистемах

А. Е. Ферсман (1937) писал, что процессы биогенеза 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».

Уникальные функции преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе вы­полняют растения. Все формы жизни - это крошечные «хранилища» порядка, который поддерживается созданием моря беспорядка в окружающей их среде. Чем больше развита цивилизация, тем боль­ше ее потребности в концентрированной энергии. Следовательно, современные промышленно развитые сообщества повышают энтро­пию окружающей среды, т. е. разрушают ее в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.

Совместимость второго начала термодинамики со способно­стью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок обосновал нобелевский лауреат И. Пригожий (1962, 1986, 1994). Он показал, что способ­ность к самоорганизации может встречаться, в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипа- тивными структурами» (рассеивающими структурами), откачи­вающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экоси­стемы, т. е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыха­ния всего сообщества организмов, которое постоянно «откачива­ет» из нее неупорядоченность, т. е. рассеивает тепло.

Дата добавления: 2014-11-18