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 Т_ъ, а температура окружающей среды Т₀ меньше Т_ъ, то система совер­шает работу А₁ = Q [Т _в- Т₀)/Т _в. Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Т_н < Т_ъ, то при условии Т_н > Т₀ система выполнит работу А₇ = Q [Г_н - T_Q)/T_H. 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 (Т_ъ - Т₀)/Т_ъ или {Т_и - Т₀)/Т_и 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 Т_ъ = T_Q или Т_н = T_Q 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