Студопедия

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)

Основы терминамики экологических систем. Основы экологической биоэнергетики




Основы экологической биоэнергетики

Функционирование любой системы происходит за счет превращений энергии, находящейся внутри системы и поступающей в нее из внешней среды. Поэтому все системы потоком энергии.

Биоэнергетика является наукой о закономерностях превращения энергии в биологических системах. Экологическая биоэнергетика – наука о превращениях энергии в экологических системах - от отдельных особей до Биосферы.

В самом общем виде энергия определяется как способность системы производить какую-либо работу. Понятие работы также довольно сложно, но в простейшем случае работа равна произведению силы, приложенной к телу на величину его перемещения.

Все виды энергии, существующие во Вселенной (электромагнитная, ядерная и др.), и все виды работы (механическая и др.) можно полностью превратить в тепловую энергию. Поэтому по количеству выделенной при этом теплоты возможно оценить величины других видов энергии и произведенной работы. Поэтому количественные аспекты превращений энергии в системах, в том числе экологических системах, часто выражаются в единицах тепловой энергии.

 

 

Большинство систем имеют достаточно четкие границы, через которые происходит постоянный обмен вещества и энергии между системой и окружающей средой.

 

· Система, которая не обменивается со средой ни веществом, ни энергией, называется закрытой, или изолированной. Среди биологических систем закрытых систем нет. Ее приближенным примером может являться закрытый термос с горячим чаем. Приближенным потому, что чай в термосе постепенно остывает.

 

· Система, которая обменивается со средой только энергией, называется замкнутой. Среди биологических систем к такому состоянию в наибольшей степени приближаются вирусы, когда они находятся в неактивном состоянии вне живого организма.

 

· Система, которая обменивается со средой и веществом и энергией, называется открытой. Все биологические системы, в том числе и экологические, являются открытыми, поскольку постоянно обмениваются со средой веществом и энергией.

 

Закономерности превращений энергии в любой системе определяются законами термодинамики.

 

Первый закон термодинамики утверждает, что «изменение энергии замкнутой системы при переходе между двумя состояниями равна разности между количеством теплоты, преданной системе из внешней среды и работы, совершенной системой», т.е.

ΔE = Q - W,

 

где ΔΕ – изменение энергии системы; Q – теплота, переданная системе; W – работа, совершенная системой.

Этот закон часто формулируется в ином виде -- «э нергия может переходить из одной формы в другую, но не исчезает и не создается вновь». По существу, первый закон термодинамики -- закон сохранения энергии.

 

Однако первый закон термодинамики ничего не говорит о том, какая часть энергии, переданная системе, может быть превращена в работу или в другой вид энергии. Существуют серьезные ограничения эффективности таких превращений, которые определяет второй закон термодинамики.

Для понимания его сущности нужно вначале уяснить принципиальное различие между обратимыми и необратимыми процессами. Примером обратимых процессов является движение планет вокруг Солнца, работа поршней в автомобильном двигателе и т.п.

Необратимые процессы называются также самопроизвольными. Они осуществляются за счет запасов энергии, имеющихся в системе. Их примерами является падение тел с высоты, остывание горячих тел и т.д. Брошенное вниз тело будет падать, пока не достигнет какой-либо поверхности. Горячее тело будет остывать, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. Однако никакое тело не может самопроизвольно подняться вверх на высоту или нагреться. Для этого ему нужно каким-либо образом придать дополнительную энергию.

 

В середине 19 века германский ученый Р. Клаузиус ввел понятие э нтропиикак меры количества энергии, недоступной для использования и превращения в другие виды энергии. Энтропиия также является мерой упорядочненностью системы. Чем выше упорядочненность системы, тем ниже ее энтропия и наоборот.

 

Любая форма энергии как бы состоит из двух частей. Та часть энергии, которая способна преобразоваться в другие виды энергии, называется свободной энергией. Та часть энергии, которая не может превратиться в другой вид энергии, за исключением тепловой, представляет собой энтропию.

Каждая форма энергии характеризуется определенным уровнем энтропии. Возможность самопроизвольного превращения одной формы энергии в другую зависит от соотношения между их энтропиями. Самопроизвольно идут лишь такие процессы, в которых виды энергии с более высокой энтропией превращаются в виды энергии с более низкой энтропией.

 

При любых путях превращения энергии из одной формы в другую определенная ее часть всегда трансформируется в тепловую энергию, повышая таким образом энтропию окружающей среды.

 

Величины энтропии возрастают в ряду: гравитационная энергия ® ядерная энергия ® электромагнитная энергия ® энергия химических связей между атомами ® тепловая энергия.

 

Гравитационная энергия является энергией наивысшего качества, она способна самопроизвольно превратиться в любой другой вид энергии. Напротив, тепловая энергия является самой низкой, «деградированной» формой энергии, которая в другие формы энергии самопроизвольно превратиться не может. Поэтому любое тело может самопроизвольно остыть, но никогда не может самопроизвольно нагреться, для этого ему необходимо придать дополнительную энергию.

 

При обратимых процессах увеличения энтропии системы не происходит. Поэтому энтропия и упорядочненность Солнечной системы остаются постоянными в течение нескольких миллиардов лет.

 

Увеличение энтропии при необратимых процессах всегда выше, чем при обратимых. Поэтому восстановление исходного состояния системы требует большей затраты энергии, чем ее было первоначально расходовано в необратимом процессе.

 

Сущность этого положения и всего понятия энтропии хорошо передает народная поговорка «ломать – не строить».

 

Отсюда можно дать следующую формулировку второго закона термодинамики «Процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную».

Жизнь с точки зрения термодинамики и кибернетики -- «это сложная, открытая и саморегулирующаяся система, образованная органическими макромолекулами, сохраняющая устойчивое термодинамическое неравновесие с окружающей средой, способная к самовопроизводству благодаря сохранению и передаче во времени информации о своих свойствах и функциях».

Важнейшим свойством биологических систем является их способность создавать и постоянно поддерживать свою сложную структуру, имеющую гораздо более высокую упорядочненность по сравнению с окружающей средой. Это носит название принцип устойчивого термодинамического неравновесия живых систем.

Поэтому энтропия живых систем всегда ниже, чем энтропия окружающей среды.

 

Согласно второму закону термодинамики, любые превращение энергии в системе приводят к росту ее энтропии. Поэтому в неживых системах постоянно накапливается энтропия, их упорядочненность снижается, в конечном итоге они деградируют и разрушаются. Однако живые системы сохраняют свою устойчивость в течение длительного времени. Поэтому ранее считалось, что они не подчиняются второму закону термодинамики.

В середине 20 века знаменитый австрийский физик Эрвин Шредингер доказал, что никаких нарушений законов термодинамики в живых системах не происходит. Повышенная упорядочненность живых систем объясняется следующим образом.

 

В организмах постоянно идут процессы метаболизма, или обмена веществ, которые представляют собой всю совокупность происходящих в них биохимических реакций.

 

При реакциях распада, или катаболизма сложные вещества распадаются на более простые. При реакциях синтеза, или анаболизма из простых веществ образуются более сложные, которые используются на построение тканей и органов тела.

 

При катаболизме имеет место увеличение энтропии и снижение свободной энергии системы.

При анаболизме происходит уменьшение энтропии и рост свободной энергии системы.

Реакции катаболизма происходят с выделением энергии, а реакции анаболизма – с ее поглощением.

 

Практически все реакции анаболизма не являются самопроизвольными. Для их протекания веществам, участвующим в них, необходимо придать дополнительную энергию. Она представляет собой макроэргических связей АТФ. Последняя, в свою очередь, образуется в некоторых процессах катаболизма.

Важнейшим процессом катаболизма в живых организмах является дыхание. С химической точки зрения, дыхание -- процесс, аналогичый горению; он представляет собой окисление органических субстратов (жиров, белков и углеводов) до углекислого газа и воды. При этом энергия химических (ковалентных) связей между атомами этих соединений переходит в энергию макроэргических связей АТФ.

 

Процесс дыхания с использованием глюкозы, можно представить в виде:

 

С6Н1206 + 6О2 → 6С02 + 6Н2О + 38 АТФ + Q (тепло)

При этом до 40 – 45% энергии, заключенной в химических связях глюкозы, переходит в макроэргические связи АТФ, которые используются для осуществления различных биохимических реакций в организме. Остальные 55-60% энергии химических связей глюкозы рассеиваются в виде тепла, которое может быть использовано попутно для поддержания температуры тела организма.

Образованная

 

В процессе дыхания в организме происходит разрушение органических веществ. Поэтому их убыль должна компенсироваться постоянным пополнением. Пополнение осуществляется за счет постоянного поступления в организм органических веществ, обычно называемых пищевыми или питательными веществами.

 

По способу получения органических веществ все организмы делятся на большие две группы:

 

· Автотрофные (от греч. авто – сам и трофео – питание) организмы сами способны создавать себе органические вещества из неорганических. К ним относятся растения, многие виды протистов и бактерий.

· Гетеротрофные организмам и не способны самостоятельно создавать себе питательные вещества из неорганических соединений. Поэтому энергию для своей жизнедеятельности они получают в виде готовых органических веществах, созданных автотрофными организмами. К ним относятся все животные и грибы, часть протистов и бактерий.

 

Основным процессом воспроизводства органических веществ у автотрофных организмов является фотосинтез, или образование органических веществ из неорганических с использованием электромагнитной энергии солнечного излучения.

При этом из углекислого газа (СО2) и воды (Н20) образуется органическое вещество - углевод глюкоза (С6Н1206), выделяется кислород (02) и образуются две молекулы АТФ.

Балансовое уравнение фотосинтеза можно представить в виде:

 

электромагнитная энергия

солнечного света

6 СО2 + 6 Н20 → С6Н1206 + 6 02↑ + 2АТФ + Q (тепло)

Количества АТФ, образуемого растениями при фотосинтезе, явно недостаточно для осуществления всех метаболических реакций в их организме. Поэтому значительная часть синтезируемого ими органического вещества сразу же разлагается в процессе аэробного дыхания с целью получения необходимого количества АТФ.

 

Поскольку в процессе дыхания преобладающая часть энергии превращается в тепло, в организмах постоянно идет воспроизводство энтропии, что приводит к снижению их упорядочненности. Однако часть энтропии организм удаляет во внешнюю среду в виде тепла, продуктов распада и т.д. На эти процессы затрачивается энергия АТФ, поэтому АТФ должно постоянно воспроизводится в организмах в процессах фотосинтеза и дыхания.

 

Таким образом, живые системы сохраняют низкоэнтропийное состояние путем удаления, или "откачки" части энтропии во внешнюю среду. Они извлекают из среды виды энергии с низкой энтропией (энергия химических связей органических соединений пищи, электромагнитная энергия солнечного света), а возвращают в среду виды энергии с высокой энтропией (тепло, отходы жизнедеятельности и пр.).

 

Поэтому существование живых систем не является нарушением второго закона термодинамики. Снижение энтропии в них сопровождается ростом энтропии в системах более высокого уровня, куда живые системы входят как отдельные элементы.

 

Аналогичным образом поддерживается упорядочненность и неживых систем. Например при эксплуатации автомобиля его энтропия увеличивается, а упорядочненность снижается – кузов ржавеет, детали изнашиваются и т.д; в если не принимать никаких мер, он быстро испортится. Чтобы поддерживать автомобиль в рабочем состоянии его нужно периодически мыть, менять фильтры, свечи, запчасти и т. на что требуется большое количество дополнительной энергии, получаемой из других источников. Для поддержания такой упорядочненности автомобиля, необходим использовать дополнительную энергии, которую в данном случае, передает ему человек человек.

Обычно считается, что КПД современного автомобильного двигателя достигает 40-45%. Однако при его расчетах не учитывается все затраты энергии, связанные с эксплуатацией автомобиля. Если их учитывать, то КПД автомобилей оказывается гораздо более низким.

 

Тем не менее, энтропия всех биологических систем на уровнях от клетки до организма постоянно возрастает во времени, что приводит к снижению их упорядочненности. Следствием этого являются процессы старения и смерти. Когда организм умирает, его энтропия и степень упорядочненности сравниваются с аналогичными показателями для внешней среды.

 

В советской экологии во времена Лысенко был популярен тезис "о единстве организма и среды". Однако он неверен с точки зрения второго закона термодинамики. "Единство организма и среды возможно только на кладбище".

 

Напротив, экологические системы потенциально бессмертны, поскольку их элементами являются отдельные живые организмы, убыль которых в результате смерти постоянно восполняется при размножения. В экосистемах могут замещаться не только отдельные особи, но и целые виды. Например, самая крупная из известных экологических систем – Биосфера Земли существует не менее 3,5 миллиардов лет. За этот период видовой состав обитавших на Земле живых организмов многократно менялся.

 

Существование любой биологической системы возможно лишь при постоянном поступлении в нее энергии из внешней среды. Все экосистемы на Земле, в своей совокупности образующие Биосферу, поддерживаются благодаря постоянному потоку солнечной энергии, падающему на поверхность Земли. Если этот поток иссякнет, Биосфера быстро разрушится.

В своем нынешнем состоянии Солнце будет существовать еще около 4 миллиардов лет. Однако можно надеяться, что люди и или другие разумные существа, которые будет жить на Земле, найдут к тому времени другой источник энергии для поддержания своего существования.




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 482; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.249 сек.