Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Применение законов термодинамики в экологии
Энергия (от греч. energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В физике свободную энергию определяют и как способность производить работу. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она может только переходить из одной формы в другую. Различные формы энергии – ядерная энергия, электромагнитная энергия, химическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия и другие.
В недрах нашего Солнца в процессе термоядерных реакций (ядерная энергия) высвобождается чудовищное количество энергии. Лишь малая ее часть достигает поверхности Земли в виде солнечного излучения. Солнечное излучение (электромагнитная энергия) может использоваться растениями в процессе фотосинтеза и перейти в потенциальную энергию органического вещества, например, глюкозы (химическая энергия), или вызвать повышение температуры земной поверхности (тепловая энергия). Но при всех этих переходах энергии из одной формы в другую ни одна калория, ни один джоуль не теряется и не возникает из ничего.
1 Дж (джоуль)» 0,24 кал (калории). 1 ккал (килокалория) = 1000 кал; большая или пищевая калория = 1000 кал = 1 ккал.
Следствия из второго начала термодинамики:
- невозможно построить вечный двигатель – устройство, которое будет выполнять некоторую полезную работу без затрат энергии;
- эффективность (коэффициент полезного действия, КПД) любой работы не может превышать 100%, иными словами, отношение полезной работы (энергии) ко всей затраченной работе (энергии) не может быть больше единицы.
Соблюдаются ли законы термодинамики в экологических системах? В качестве примера рассмотрим процесс фотосинтеза (рис. 8.1). Из каждых 100 Дж солнечной энергии, попадающих на поверхность листа за определенное время, только 50 Дж поглощаются хлорофиллом и другими пигментами (это так называемая ФАР – фотосинтетически активная радиация), а оставшиеся 50 Дж в процессе фотосинтеза не участвуют.
Энергия ФАР расходуется на возбуждение активных центров хлорофилла и других пигментов, но только 1 Дж из поглощенных 50-ти перейдет в энергию химических связей глюкозы. Остальные 49 Дж трансформируются в тепловую энергию, составят «издержки» процесса фотосинтеза. Поскольку непосредственно использовать тепловую энергию для фотосинтеза растения не могут, говорят о «потерях» энергии в процессе фотосинтеза в виде тепла.
Согласно первому закону термодинамики, ни один джоуль энергии в процессе фотосинтеза не может исчезнуть или возникнуть дополнительно, а, следовательно, количество поступившей солнечной энергии в точности должно быть равно сумме тех видов энергии, в которую она трансформировалась. В нашем примере:
100 Дж = 50 Дж (не ФАР) + 49 Дж (тепловая) + 1 Дж (химическая)
Эффективность фотосинтеза должна быть меньше 100% (следствие из второго начала термодинамики). Эффективность (КПД) фотосинтеза – это отношение количества полезной энергии (химической энергии глюкозы – Эх) к количеству поступившей солнечной энергии (Эс): КПД = (Эх/Эс) ∙ 100%. В нашем примере:
КПД% = (1 Дж/100 Дж) ∙ 100% = 1%
Рис. 8.1. Трансформация солнечной энергии в процессе фотосинтеза (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями).
 |
Еще одно важнейшее понятие Большой Физики, которое прочно вошло в последние годы в экологию, это энтропия.
Энтропия (от греч. entropia – превращение, поворот) – физическое понятие, мера необратимого рассеяния (диссипации) энергии. Менее строго энтропия – это мера неупорядоченности.
Экосистемы и биосфера Земли представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Поддержание высокой внутренней упорядоченности (низкоэнтропийного состояния) экосистем достигается за счет использования внешней энергии и увеличения энтропии окружающей среды.
«Испарение, осадки и ветер возникают потому, что Земля непрерывно получает солнечную энергию. Солнечная энергия генерирует на Земле практически все виды упорядоченных макроскопических процессов. Тепло, в которое переходит (диссипирует) солнечная радиация, рассеивается в космическое пространство в виде теплового излучения. Всё разнообразие наблюдаемых макроскопических процессов представляет собой различные виды распада начальных упорядоченных состояний вещества и диссипации содержащейся в них энергии. Совокупность существующих богатых энергией состояний вещества составляет энергетические ресурсы Земли. Эти ресурсы представлены:
1) в кинетической энергии скоррелированного движения различных частей вещества (поток солнечной радиации, гидроэнергия рек и океанических волн, энергия морских приливов, ветровая энергия);
2) в накопленной потенциальной энергии скоррелированных связей различных частей вещества (гравитационной, физической в виде скрытой теплоты конденсации и замерзания воды, химической и ядерной энергии);
3) в существующей разности температур между экваториальными и полюсными областями поверхности Земли, между поверхностным и глубинным слоями вод океанов, морей, озер.
Запасы ядерной энергии, гравитационной энергии, энергии перераспределения земных недр и энергии морских приливов сохранились со времени образования солнечной системы. Все остальные виды ресурсов генерируются солнечной радиацией.
При протекании распадных процессов до конца все виды потенциальной энергии сначала переходят в кинетическую энергию упорядоченных движений, которая затем подвергается диссипации и рассеивается в виде тепловой энергии хаотического движения отдельных молекул.
Следовательно, конечным результатом распада является минимум потенциальной энергии. Однако при малой скорости диссипации могут происходить обратные процессы перехода упорядоченной кинетической энергии в потенциальную, которая может накапливаться. Так происходит:
· накопление в атмосфере скрытой энергии конденсации влаги при испарении воды, вызывающей впоследствии ураганы и смерчи;
· накопление энергии деформации в земной коре, вызывающей землетрясения;
· накопление гравитационной энергии в горных снежных наносах, вызывающей лавины;
· накопление энергии органических веществ в процессе поглощения растениями солнечной энергии, поддерживающих существование передвигающихся животных и создающих возможность возникновения лесных пожаров и т. п.» (Горшков, 1995).
ГЛАВНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ БИОСФЕРЫ:
1. Солнечная радиация (абсолютно преобладает).
2. Внутреннее тепло Земли (около 0,5% от солнечной энергии).
3. Энергия приливов (около 0,0017% от солнечной энергии).
Date: 2015-05-23; view: 4020; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА... |