Conceptul de entropie, legea și procesul de schimbare a entropiei în sistem
Comună în formularea fizica a doua lege a termodinamicii prevede că energia într-un sistem închis tinde să fie distribuit în mod egal, și anume sistemul tinde la o stare de entropie maximă.
O trăsătură distinctivă a organismelor vii, ecosisteme și biosferă în ansamblul său este abilitatea de a crea și menține un grad ridicat de ordine internă, și anume, stat cu entropie joasă. Conceptul de entropie caracterizează porțiunea de energie totală care nu pot fi utilizate pentru a produce lucru. Spre deosebire de energia liberă este degradat, energia uzat. Dacă notăm F liberă de energie și entropia S. prin energia totală E a sistemului va fi egal cu:
unde T - temperatura absolută în grade Kelvin.
Prin definiție, fizician E. Schrödinger: „Viața - Comportamentul ordonată și regulată a materiei, bazată nu numai pe o tendință de a trece de la ordine la dezordine, dar, de asemenea, în parte, cu privire la existența ordinii, care este menținut în permanență. -. mijloace prin care organismul se sprijină în mod constant la un nivel suficient de ridicat de rânduială (încă destul de entropie joasă), de fapt constă în extragerea continuă a comanda din mediu. "
La animale mai mari, suntem conștienți de tipul de ordine pe care se hrănesc, și anume: starea de materie foarte ordonat într-un compuși organici mai mult sau mai puțin complexe, le servesc alimente. După utilizare, returnați animalele, aceste substanțe într-o formă foarte degradat, cu toate acestea, nu este complet degradat, deoarece ele pot fi în continuare absorbite de plante.
Pentru plante, o sursă puternică de „entropie negativă“ - entropie negativă - este lumina soarelui.
Proprietatea sistemelor vii pentru a extrage comanda din mediu a condus unii oameni de știință să concluzioneze că a doua lege a termodinamicii nu pentru astfel de sisteme. Cu toate acestea, a doua lege este, de asemenea, o alta, formulare mai generală, care este valabil pentru deschisă, inclusiv sistemele vii. Aceasta afirmă că eficiența transformării spontane de energie este întotdeauna mai mică de 100%. În conformitate cu a doua lege a termodinamicii, menținerea vieții pe Pământ, fără afluxul de energie solară nu este posibilă.
Referindu-ne din nou la Schroedinger: „Tot ceea ce se întâmplă în natură, înseamnă o creștere de entropie a universului, în cazul în care are loc. Precum și un organism viu crește continuu entropia, sau produce entropie pozitivă și, astfel, mai aproape de o stare periculoasă - entropie maximă, care este o moarte. El poate evita această condiție, și anume, rămâne în viață, dar scoate definitiv din entropia negativă de mediu. "
transfer de energie în ecosisteme și pierderea
După cum se știe, în transferul de energie ecosisteme alimentare din sursa sa - planta - printr-o serie de organisme care apar prin consumul de alte organisme, acesta trece prin lanțul alimentar. La fiecare transfer succesiv o mare parte (80-90%), energia potențială pierdută este transformată în căldură. Mergând prin fiecare link-ul reduce energia disponibilă este de aproximativ 10 de ori. piramida energiei de mediu este întotdeauna subțiază în sus, ca la fiecare nivel ulterior al energiei este pierdută (Fig. 1).
Eficiența sistemelor naturale este mult mai mic decât eficiența motoarelor electrice și a altor motoare. În sistemele vii, o mulțime de „combustibil“ merge la „reparație“, care nu este inclusă în calculul eficienței motoarelor. Orice creștere a eficienței sistemului biologic se traduce în creșterea costurilor de întreținere a acestora într-o stare stabilă. Sistemul ecologic poate fi comparat cu aparatul de la care nu se poate „stoarce“ mai mult decât ea poate da. Vine întotdeauna o limită, după care câștigurile din câștigurile de eficiență compensate de creșterea costurilor și riscul de defectare a sistemului. îndepărtarea directă a oamenilor sau a animalelor de peste 30-50% din creșterea anuală a vegetației poate reduce capacitatea unui ecosistem de a rezista stresului.
Unul dintre limitele biosferă - producția brută de fotosinteză, iar sub ea o persoană ar trebui să fie personalizate pentru nevoile dvs. până când se poate dovedi că absorbția de energie prin fotosinteză poate fi mult mai mare, fără a pune în pericol deranjat echilibrul altor mai important ciclu, de viață a resurselor. Acum este absorbit doar aproximativ jumătate din energia radiației totale (în principal în partea vizibilă a spectrului) și cel mult - aproximativ 5% - aceasta în condițiile cele mai favorabile, se transformă într-un produs al fotosintezei.
Fig. 1. energiile piramidei. E - energia eliberată de metaboliți; D = moarte naturală; W - fecale; R - respirație
Ecosistemele artificiale pentru a produce mai multe culturi o persoană este nevoită să consume energie suplimentară. Este necesar ca agricultura industrializată, așa cum prevede cultura, special creat pentru el. „Industrializată (folosind energia combustibililor fosili), agricultura (cum ar fi practicat în Japonia), pot oferi de 4 ori mai mare randament la hectar decât agricultura, în care toată munca se face de către oameni și animale de companie (ca în India), dar este nevoie de 10 ori mai costisitoare tipuri de resurse și energie. "
cicluri de producție de închidere a parametrului entropie energiei este teoretic posibil, deoarece procesele energetice de curgere (conform doua lege a termodinamicii) este însoțită de degradarea crescută a energiei și entropia mediului. Acțiunea a doua lege a termodinamicii se exprimă în faptul că de conversie a energiei merge într-o direcție, în contrast cu mișcarea ciclică a substanțelor.
În prezent, suntem martorii faptul că creșterea nivelului de organizare și diversitatea sistemului cultural reduce entropia, dar crește entropia mediului, cauzând degradarea acesteia. În ce măsură poate elimina consecințele celei de a doua lege a termodinamicii? Există două moduri.
Prima cale este de a reduce pierderile de energie utilizate de om în diversele sale transformări. Acest mod este eficient în măsura în care nu conduce la o scădere a stabilității sistemului prin care fluxul de energie (așa cum este cunoscut, în sisteme ecologice crește numărul de niveluri trofice contribuie la stabilitatea lor, dar în același timp, contribuie la pierderi de energie prin intermediul sistemului ).
A doua modalitate este de a trece de la scopul de a consolida sistemul cultural prin care se dispune întreaga biosferă în creștere. Societatea, în acest caz, crește organizarea mediului prin reducerea părții de organizare a naturii, care este dincolo de biosfera Pământului.
Transformarea materiei și energiei în biosferă ca un sistem deschis
o importanță fundamentală pentru înțelegerea dinamicii proceselor biosferic și soluții constructive la probleme specifice de mediu au o teorie și metode de sisteme deschise, care sunt una dintre cele mai importante realizări ale secolului XX a.
Conform teoriei clasice a termodinamicii, sistemele fizice, și alte natura neînsuflețit evoluează în direcția consolidării tulburare lor, distrugere și perturbare. În acest caz, măsura energetică a organizației exprimată entropia tinde la o creștere continuă. Se pune întrebarea: cum este de natură neînsuflețite, care sistemele tind sa dezorganizare ar putea să apară animale sălbatice, pe care evoluția sistemului în lor tinde spre perfecțiunea și complexitatea organizației dumneavoastră? În plus, progresele sunt evidente în societate în ansamblul său. Prin urmare, conceptul original al fizicii clasice - conceptul unui sistem închis sau izolat nu reflectă realitatea și este în contrast puternic cu rezultatele cercetării în biologie și științele sociale (de exemplu, previziuni sumbre „moartea termică“ a universului). Este destul de firesc ca în 1960 există un nou (non-liniare) termodinamica, bazat pe conceptul de procese ireversibile. Se pune în sistem închis, izolat, este nevoie de un concept de bază fundamental diferită a unui sistem deschis, care este capabil să comunice cu mediul de substanțe, energie și informație. Mijloacele prin care organismul se sprijină la un nivel suficient de ridicat, pentru (egala entropie suficient de scăzută), de fapt constă în extragerea continuă a comanda din mediu.
Sistem deschis. împrumută astfel, din exterior sau a unei noi substanțe sau energie proaspătă și simultan ieșirile la mediul extern și substanța utilizată energia deșeurilor, adică acesta nu poate fi închis. În evoluția sistemului este în mod constant schimburilor de energie cu mediul și produce entropie. În același timp, caracterizează gradul de dezordine în entropia sistemului, în contrast cu sistemul închis, nu se acumulează și sunt transportate în mediul înconjurător. Concluzia logică este că un sistem deschis nu poate fi un echilibru. deoarece necesită o alimentare continuă cu energie din mediul extern sau bogat fond. Prin E. Schrödinger din cauza unui astfel de sistem de interacțiune derivă din procedura de mediu și, prin urmare, aduce tulburare ei.
Interacțiunea dintre ecosisteme
În cazul în care cele două sisteme există o conexiune, entropia o tranziție de la un sistem la altul, vectorul este determinat de valorile potențialelor termodinamice. Iată diferența calitativă evidentă între sistemele izolate și deschise. Într-un sistem izolat rămâne situație de non-echilibru. Procesele merge până când atinge entropia maximă.
În sistemele deschise, ieșiri în afara entropia poate echilibra creșterea în sistem. Acest tip de condiții, să favorizeze apariția și menținerea unei stări de echilibru (de tip echilibru dinamic), numit sold curent. La starea de echilibru, entropia unui sistem deschis rămâne constantă, deși nu este maxim. Persistența este susținută de faptul că sistemul atrage în mod continuu de energie liberă ambiantă.
Dinamica entropiei într-un sistem deschis este descris de IR Prigogine (fizician belgian, laureat al Premiului Nobel din 1977 in):
unde DS1 / DT- caracteristică entropiei proceselor ireversibile în cadrul sistemului; DSE / dt - schimb de entropie caracteristică între sistemul biologic și a mediului.
Autoreglementarea ecosistemelor fluctuante
Scăderea totală a entropiei ca urmare a schimbului cu mediul extern în anumite condiții poate depăși producția internă. Există instabilitatea statului dezordonate precedent. Creșterea să apară și fluctuațiile la scară nivel macroscopice. Este posibil să se auto-reglementare. și anume apariția unor structuri din unități haotice. Astfel de structuri se pot deplasa în mod succesiv într-o stare din ce în ce ordonat (structuri disipative). Entropia în ele scade.
structuri disipative sunt formate ca rezultat al propriilor sale instabilități interne în sistem (ca rezultat al auto-organizare), care le distinge de organizarea structurilor ordonate, care sunt formate sub influența unor factori externi.
Comandat (disipativ) structura, care rezultă în mod spontan din dezordine și haos care rezultă din procesul de auto-organizare, și sunt puse în aplicare în sistemele de mediu. Un exemplu este aranjamentul ordonat spațial de bacterii în mediu nutritiv, observate în anumite condiții, precum și structurile temporare în „prădător-pradă“ diferite moduri stabile de oscilații cu o anumită frecvență numărul populațiilor de animale.
proces de auto-organizare bazată pe schimbul de energie și de masă cu mediul înconjurător. Acest lucru vă permite să mențină o stare creată artificial a soldului curent atunci când pierderile de disipare sunt compensate din exterior. Odată cu sosirea de noi de energie sau materie în sistem crește dezechilibru. În cele din urmă, vechea relație dintre diferitele elemente ale sistemului, definind structura sa fiind distrusă. noi conexiuni se stabilesc între elementele sistemului, ceea ce duce la un proces de cooperare, și anume, la comportamentul colectiv al elementelor sale. Aceasta este schema generală a proceselor de auto-organizare în sisteme deschise, numite știință sinergie.
Conceptul de auto-organizare, o nouă iluminare relația dintre neînsuflețite și anima natura, face mai ușor de înțeles că toată lumea din jurul nostru și universul este o colecție de procese de auto-organizare care se află în centrul oricărei dezvoltări evolutive.
Este recomandabil să se acorde o atenție la următoarea situație. În funcție de natura aleatorie a fluctuațiilor arată că apariția noului este întotdeauna condiționată de influența factorilor accidentali din lume.
Apariția autoorganizare bazată pe principiul feedback pozitiv, potrivit căruia schimbările care au loc în sistem nu sunt eliminate, ci se acumulează. În cele din urmă, aceasta este ceea ce duce la apariția unei noi ordini și o nouă structură.
punctul bifurcare - ritmul de dezvoltare a biosferă pe o cale nouă
Sistemele deschise universul fizic (care includ biosferă noastre) fluctuează în mod continuu și la un moment dat poate ajunge la punctul de bifurcare. Esența bifurcare ilustrează cel mai clar cavaler fabulos în picioare la răscruce. La un moment dat calea întâlnește o furculiță în cazul în care trebuie să ia o decizie. La atingerea punctului bifurcare este fundamental imposibil de prezis în ce direcție se va dezvolta în continuare sistemul: dacă merge într-o stare haotică sau de a dobândi un nou nivel, superior de organizare.
Biosferă punctul bifurcare - impulsul de a dezvoltarea unui nou mod, necunoscut. Ce loc va exista societatea umană - este dificil de prezis, biosfera este cel mai probabil să continue dezvoltarea acesteia.
