Концепцията за ентропия, законът и процеса на промяна на ентропията в системата
Обща по физика формулиране на втория закон на термодинамиката гласи, че енергията в затворена система, има тенденция да се разпределя равномерно, т.е. системата има тенденция до състояние на максимална ентропия.
Отличителна черта на живите тела, екосистемите и биосферата като цяло е възможността за създаване и поддържане на висока степен на вътрешния ред, т.е. държава с ниска ентропия. Концепцията за ентропия характеризира част от общата енергия, която не може да се използва за производство на работа. За разлика от безплатната енергия се влоши, а отработеното енергия. Ако означим свободния енергиен F и ентропията S. чрез общата енергия Е на системата ще бъде равен на:
където Т - абсолютната температура в градуси по Келвин.
По дефиниция, физик Е. Шрьодингер: "Животът - Най-подреден и редовно поведението на материята, се основава не само на тенденция за преминаване от цел разстройство, но също и в част от съществуването на поръчката, която се поддържа през цялото време. -. средствата, чрез които тялото се поддържа постоянно на достатъчно високо ниво на подреденост (все още доста ниска ентропия) всъщност се състои в непрекъснато извличане на поръчка от околната среда. "
В по-високите животни, ние сме добре запознати с вида на заповед, на която те се хранят, а именно: строго подредени състояние на материята, в повече или по-малко сложни органични съединения, им служат храна. След употреба се върне животните, тези вещества в много влошени форма, обаче, не е напълно разгражда, тъй като все още може да се абсорбира от растенията.
За растения, мощен източник на "негативна ентропия" - отрицателна ентропия - е слънчева светлина.
Собственост на живите системи за извличане на ред от околната среда кара някои учени да се заключи, че втория закон на термодинамиката не успее за такива системи. Въпреки това, на втория закон и друга, по-обща формулировка, която е валидна за открито, включително и живите системи. Той посочва, че ефективността на спонтанна трансформация на енергия е винаги по-малко от 100%. Според втория закон на термодинамиката, поддържането на живота на Земята, без притока на слънчева енергия не е възможно.
Позовавайки се отново на Шрьодингер: "Всичко, което се случва в природата, означава увеличаване на ентропията на Вселената, където тя се провежда. Както и един жив организъм непрекъснато увеличава своя ентропия, или произвежда положителен ентропия и по този начин по-близо до опасно състояние - максимална ентропия, което е смърт. Той може да се избегне това състояние, т.е. остане жив, но трайно премахване на отрицателна ентропия на околната среда. "
трансфер на енергия в екосистемите и загубата му
Както е известно, в трансфер екосистеми храна енергия от нейния източник - растението - чрез редица, срещащи се при консумация на някои други организми, тя преминава през хранителната верига. При всяко следващо прехвърляне на голяма част (80-90%), потенциалната енергия загуби се превръща в топлина. Преминавайки през всеки линк намалява наличната енергия е около 10 пъти. Environmental енергия пирамида е винаги стеснява нагоре, като при всяко следващо ниво на енергията се губи (фиг. 1).
Ефективността на природните системи е много по-ниска, отколкото на ефективността на електрически двигатели и други двигатели. В живите системи, много от "гориво" отива в "ремонт", който не е включен в изчисляването на ефективността на двигателите. Всяко повишаване на ефективността на биологичната система се изразява в увеличаване на разходите за тяхното поддържане в стабилно състояние. Екологична система може да се сравни с машината, от която не можеш да "изтръгне" повече, отколкото тя може да даде. Винаги идва лимит, след което ползите от повишаване на ефективността се компенсира от нарастващите разходи и риска от провал на системата. Директен отстраняване на хора или животни над 30-50% от годишния прираст на растителността може да намали способността на екосистемите да се противопоставят на стреса.
Едно от ограниченията на биосферата - брутната продукция на фотосинтезата, и в съответствие с него лице, ще трябва да бъдат персонализирани с вашите нужди, докато не може да докаже, че усвояването на енергия чрез фотосинтеза може да бъде значително увеличен без да се застрашава разстроен баланса на друга, по-важна живот ресурс цикъл. Сега се абсорбира само около половината от общия радиация енергия (главно във видимата част на спектъра) и най-много - около 5% - че в най-благоприятни условия, се превръща в продукт на фотосинтеза.
Фиг. 1. Пирамидите енергии. Е - енергия освободен от метаболити; D = естествена смърт; W - изпражнения; R - дъх
Изкуствените екосистеми да произвеждат повече реколта човек е принуден да изразходва повече енергия. Той е необходим за индустриализираните селското стопанство, както се изисква от културата, създадена специално за него. "Индустриализирани (с използване на енергията на изкопаеми горива), селското стопанство (като се практикува в Япония) може да осигури 4 пъти по-висока доходност на хектар от селското стопанство, в който цялата работа се извършва от хора и домашни животни (например в Индия), но тя изисква 10 пъти по-скъпи видове ресурси и енергия. "
производствени Закриване цикъла параметър енергия ентропия теоретично е възможно, тъй като енергийните потоци процеси (в съответствие с втория закон на термодинамиката) е придружен от повишена деградация на енергията и ентропията на околната среда. Действието на втория закон на термодинамиката се изразява в това, че преобразуването на енергия отиде в една посока за разлика от цикличното движение вещества.
В момента сме свидетели на факта, че увеличаването на нивото на организация и многообразието на културната система намалява ентропията, но увеличава ентропията на околната среда, което води до неговата деградация. До каква степен може да премахне последствията от втория закон на термодинамиката? Има два начина.
Първият начин е да се намалят загубите на енергия, използвани от човека в неговите различни трансформации. По този начин е ефективен до степен, че не води до понижаване на стабилността на системата, чрез която енергийното поток (както е известно, в екологичните системи увеличаване на броя на трофични нива допринася за тяхната стабилност, но в същото време допринася за енергийните загуби чрез системата ).
Вторият начин е да се премине от увеличаване цел укрепване на културната система за поръчване на цялата биосфера. Обществото в този случай се увеличава организацията на околната среда чрез намаляване на организация част от природата, която е отвъд земната биосфера.
Трансформацията на материята и енергията в биосферата като отворена система
Основно значение за разбирането на динамиката на биосферните процеси и конструктивни решения на конкретни проблеми на околната среда има теория и методика на отворени системи, които са един от най-важните постижения на ХХ век.
Според класическата теория на термодинамиката, физични системи, както и други неживата природа се развива в посока на укрепване на тяхното заболяване, разрушаване и прекъсване. В този случай, енергийната мярка за организация изрази ентропия има тенденция към непрекъснато нарастване. Възниква въпросът: как е на неживата природа, които системи са склонни да дезорганизация може да се случи на дивата природа, което еволюцията на системата в техния стремеж към усъвършенстване и сложността на вашата организация? Освен това, напредъкът е очевиден в обществото като цяло. Вследствие на оригиналната концепция на класическата физика - концепцията за затворена или изолирана система не отразява реалността и е в пълен контраст с резултатите от научните изследвания в биологията и социалните науки (например тежки прогнози "топлина смърт" на Вселената). Съвсем естествено е, че през 1960 г. има нова (нелинейни) термодинамиката, въз основа на концепцията за необратими процеси. Мястото е затворено, изолирана система, е необходимо коренно различна основна концепция на една отворена система, която е в състояние да комуникира с околната среда от вещества, енергия и информация. Средствата, чрез които тялото се поддържа на достатъчно високо ниво, за да (се равняват на достатъчно ниска ентропия) всъщност се състои в непрекъснато извличане на поръчка от околната среда.
Отворена система. по този начин заема от външната или ново вещество или прясно енергия и едновременно извежда към външната среда и отпадъци енергия използвано вещество, т.е. тя не може да се затвори. В еволюцията на системата е постоянно обменя енергия с околната среда и произвежда ентропия. В същото време характеризира степента на разстройство в ентропията на системата, за разлика от затворената система, не се натрупва и се транспортират в околната среда. Логичното заключение е, че една отворена система не може да бъде равновесие. тъй като това налага непрекъснати доставки на енергия от външната среда или богатите по същество. От Е. Шрьодингер поради такава система взаимодействие произтича от процедурата на околната среда и по този начин води до нея заболяване.
Взаимодействието между екосистеми
Ако двете системи съществува връзка, ентропията на преход от една система към друга, векторът се определя от стойностите на термодинамични потенциали. Тук е явна качествена разлика между изолирани и отворени системи. В изолирана система остава неравновесен ситуация. Процесите вървят, докато достигне максимална ентропия.
В отворени системи, ентропия отлив извън могат да балансират растежа му в системата. Този вид условия се насърчи създаването и поддържането на стабилно състояние (динамичен вид равновесие), наречена ток баланс. При стационарно състояние, ентропията на една отворена система остава постоянна, въпреки че не е на максимум. Устойчивост се подкрепя от факта, че системата непрекъснато привлича от околната среда свободна енергия.
Динамика на ентропията в отворена система е описано от IR Пригожин (белгийски физик, носител на Нобелова награда за 1977 в):
където DS1 / dT- характеристика ентропията необратими процеси в системата; DSE / DT - характеристика обмен ентропията между биологичната система и околната среда.
Саморегулацията на колебаещите се екосистеми
Общото намаление на ентропията в резултат на обмен с външната среда при определени условия може да надвишава вътрешното си производство. Налице е нестабилността на предходната разстроен държавата. Увеличете да се случи и колебанията на макроскопски ниво мащаб. Възможно е да се саморегулиране. т.е. появата на определени структури от хаотични единици. Такива структури могат да се движат последователно във все по-подредено състояние (дисипативни структури). Ентропия в тях намалява.
Дисипативни структури се формират в резултат на собствените си вътрешни нестабилност в системата (в резултат на самоорганизация), което ги отличава от организацията на поръчаните структури, които се формират под влиянието на външни фактори.
Подреден (разсейване) структура, спонтанно, произтичащи от разстройство и хаоса в резултат от процеса на самоорганизация, и се прилагат в системите на околната среда. Пример за това е пространствено подредени подреждането на бактерии в хранителна среда, наблюдавано при определени условия, както и временни структури в "хищник-плячка" различни стабилни форми на трептения с определена честота на броя на животинските популации.
процес на самоорганизация на базата на обмен на енергия и маса с околната среда. Това ви позволява да се поддържа изкуствено създадени състояние на текущия баланс, когато загубите на разсейване са компенсирани от външната страна. С пристигането на нова енергия или материя в системата увеличава неравновесие. В крайна сметка, старата връзката между елементи на системата, които определят неговата структура се разрушава. нови връзки са установени между елементите на системата, което води до общ процес, т.е. на колективното поведение на нейните елементи. Това е най-общата схема на самоорганизация процеси в отворени системи, наречени наука синергия.
Концепцията за самоорганизация, нова осветителна връзката на неживата и живата природа, прави по-лесно да се разбере, че целият свят около нас и вселената е колекция от самоорганизиращи се процеси, които лежат в основата на всяко еволюционно развитие.
Препоръчително е да се обърне внимание на следното обстоятелство. Въз основа на случаен характер на колебанията, показва, че появата на новата винаги е обусловено от влиянието на случайни фактори в света.
Появата на самоорганизация на базата на принципа на положителна обратна връзка, според които промените, настъпили в системата не са елиминирани, но се натрупват. В крайна сметка, това е, което води до появата на нов ред и нова структура.
точка на разклонение - инерцията на развитие на биосферата по нов път
Отворени системи физическата вселена (които включват нашата биосфера) се колебаят непрекъснато и в един момент могат да стигнат до точката на бифуркация. Същността на бифуркация най-ясно илюстрира невероятната рицар стои на кръстопът. В един момент по пътя се среща с вилица, където трябва да се вземе решение. При достигане на точката на бифуркация е фундаментално невъзможно да се предвиди в каква посока ще се развие по-нататък системата: ако тя отива в хаотична държава или придобиване на нови, по-високо ниво на организация.
Биосферен точка на разклонение - импулсът за нейното развитие на нов, неизвестен начин. Какво място ще има човешкото общество - е трудно да се предскаже, биосферата е най-вероятно да продължи да се развива.
