Основа устойчивого развития биосферы

 

Термодинамика устанавливает свойства систем (внутренняя энергия, теплота, работа), не прибегая к детальному рассмотрению процессов на молекулярном уровне, пользуясь специальными законами – началами термодинамики.

Существует несколько положений, касающихся применения начал термодинамики к биологическим процессам. Согласно одному из них, законы термодинамики не применяют для описания высших форм движения материи – биологического, общественного. Более высокая форма движения материи содержит в себе физические формы, но не сводится к ним.

Развитие высших форм движения материи зависит от факторов, которые прямо не связаны с параметрами термодинамики – внутренней энергией, теплотой, температурой, работой:

где Q – теплота системы, Дж/кмоль; U – внутренняя энергия, Дж/кмоль; Т – температура, К; S – энтропия, Дж/кмоль∙град; A_i – обобщенная сила; a_i – обобщенная координата;  Δ S – изменение энтропии процесса, Дж/кмоль∙град.

Описание высших форм движения материи или их моделирование необходимо проводить с величинами, которые входят в основные законы развития биосферы.

Второй подход состоит в установлении границ термодинамики – размеров области экспертизы. Нижняя граница – молекулярные и субмолекулярные системы, верхняя – системы галактических размеров, в которых действуют дальнодействующие гравитационные силы.

Неправильная оценка границ применения термодинамики привела к появлению ошибочных теорий, касающихся развития биосферы. Так, в XIX в. Клаузиус выдвинул теорию «тепловой смерти» Вселенной. В противовес «тепловой смерти» Вселенной Больцман выдвинул «флуктуационную гипотезу», в которой жизнь рассмотрена с позиций теорий флуктуации – отклонений от равновесных параметров системы, действующих на молекулярном уровне.

Гипотезу Больцмана, так же, как и гипотезу Клаузиуса, следует признать ошибочной из-за неправомерного перенесения законов термодинамики на развитие высших форм движения материи.

Соотношение законов термодинамики и законов биосферы следует рассматривать в другой плоскости – в отношении энтропийных и энергетических потоков экологических систем.

Согласно принципу Больцмана, связь между энтропией и вероятностью нахождения системы в данном состоянии определена формулой

,

где S – энтропия системы, Дж/кмоль·град;   W – вероятность; k – постоянная Больцмана, Дж/моль∙град.

В любой замкнутой системе энтропия в самопроизвольных процессах увеличивается. Система переходит из менее вероятного в более вероятное состояние. В биосфере по мере развития энтропия снижается вследствие усложнения процессов и явлений, что приводит к кажущимуся   противоречию со вторым началом термодинамики. В действительности противоречия нет, так как биосфера незамкнута и нестационарна. Экстраполировать влияние энтропийного фактора на системы больших размеров также нельзя – нарушаются условия границ применения термодинамики. Выход из этого положения указан Больцманом. Он выдвинул гипотезу, согласно которой закон возрастания энтропии связан с направлением времени в биологических процессах. Возрастание энтропии и направленность времени – явления взаимосвязанные. Время движется в том направлении, в котором возрастает энтропия. Направленность времени имеет объективное существование и указывает на развитие предметов, их постоянное изменение.

Из закона возрастания энтропии вытекает следующее следствие. Если в природе имеются системы, в которых самопроизвольно протекают процессы, сопровождающиеся снижением энтропии, то в них время имеет обратное направление.

Действие закона возрастания энтропии на биосферу проявляется в виде борьбы живых организмов с энтропией. Чем меньше размеры живого организма, тем труднее ему поддерживать энергетические и материальные балансы вследствие высокой удельной поверхности и большого избытка поверхностной энергии существа. Борьба с энтропией в эволюционном процессе приводит к увеличению размеров особей. Крупные существа с большой массой обладают большей независимостью от внешних условий, но на передвижение и функционирование организма они затрачивают значительное количество энергии. Вступают в противоречие два фактора – энтропия и размер живого организма, что приводит к вымиранию наиболее крупных особей и установлению оптимального равновесия.

Следующий фактор, косвенно связанный с энтропией и воздействующий на биосферу, – усвоение энергии живыми организмами и процессы перехода одной формы энергии в другую.

Практическая ценность энергии, получаемой человеком, определяется той ее частью, которая превращается в полезную работу. Мера превратимой энергии в полезную работу называют эксергией. Эксергия измеряется количеством механической или другой формы энергии, которое получено от данной системы в результате перехода из одного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.

Предположим, в систему вводится 100 кДж эксергии – энергии, способной превратиться в работу, а выводится 40 кДж. Система потеряла 60 кДж эксергии. Суммарная величина потерь эксергии равна разности входящих и выходящих эксергий:

.

При обратимом процессе эксергетические потери всегда равны нулю, так как эксергия обладает свойством аддитивности:

.

Определив потери эксергии, рассчитаем эксергический коэффициент полезного действия (КПД), характеризующий степень идеальности протекающих процессов:

.

Эксергия связана с термодинамическими функциями состояния:

где Э_ф – физическая эксергия, равная максимальной работе изобарно-изотермического или изохорно-изотермического потенциала; Δ m_i, n_i – изменение химического потенциала, число молей системы; Δ H – энтальпия; Δ U – внутренняя энергия; ΔХ – химический потенциал; Э _Х – химическая эксергия, равная химическому потенциалу системы ΔХ; Δ G, Δ F – изобарный и изохорный потенциалы.

При совершении работы за счет кинетической или потенциальной энергии эксергия равна кинетической и потенциальной энергии:

; ,

где  – кинетическая эксергия;  – потенциальная эксергия; ,  – соответственно кинетическая и потенциальная энергия.

Суммарную систему эксергии находят по формулам:

 – изобарно-изотермический процесс;

 – изохорно-изотермический процесс.

Выразим величины эксергии через стоимости процессов ущерба экологической системе, оценим процесс с точки зрения экономики, т.е. проведем эксергический анализ:

где С _i – стоимость единицы эксергии; Э _i – количество эксергии; K_i – затраты на производство эксергии; Y_i – ущерб экологической системе от реализации процесса.

Рассмотрев несколько вариантов, проводят оптимальное проектирование технологического процесса или предприятия из условия минимума стоимостных затрат:

Эффективность использования энергетических ресурсов зависит от коэффициента полезного действия преобразования одной формы энергии в другую (табл.1.3).

Таблица 1.3