Термодинамика в экологии

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Физическими основами современной экологии являются представления о термодинамике открытых неравновесных систем и их самоорганизации. В процессе образования диссипативных структур в открытых системах отток энтропии наружу может уравновесить её производство в самой системе при протекании неравновесных процессов развития; система приходит к стационарному состоянию, которое Л.Берталанфи назвал «текущим равновесием».

Процессы самоорганизации  в результате обмена энергией, веществом  и информацией с окружающей средой позволяют поддерживать это состояние «текущего равновесия» при условии, что потери на диссипацию извне, из окружающей среды компенсируются.

Биосфера Земли  в состоянии «текущего равновесия»  существует за счёт отрицательного баланса  энтропии. Излучение Солнца за счёт фотосинтеза в биосфере преобразуется в другие виды энергии, в частности в тепло, которое уходит в мировое пространство в виде равновесного теплового излучения Земли.

Можно считать, что вся жизнь на Земле существует лишь потому, что поглощаемое Землей излучение в среднем имеет более высокую частоту, чем излучаемое. Этим же объясняется биологическая эволюция от простейших форм к высшим организмам

Экологические проблемы современности (загрязнение  окружающей среди вследствие антропогенной  деятельности) обусловлено термодинамическими законами, применимыми к неравновесным открытым системам и заложенными в самой Природе.

Загрязнение является следствием неэффективного использования или дополнительного увеличения энергии для удовлетворения потребностей человека.

Энергетика - та область человеческой деятельности, которая оказывает самое разрушительное действие на природу. Потребляя запасённую в природных системах энергию в виде горючих ископаемых, человек вносит в биосферу хаос, разрушает упорядоченность, созданную свободной энергией солнечного излучения.

Физической  причиной экологического загрязнения  является рост энтропии. Термодинамический подход в экологии применим не только к проблемам загрязнения среды, но и к изучению цепей питания живых организмов - последовательной передачи вещества и энергии, и к экологической смене сообществ.

Эффективность передачи энергии в трофической  цепи 5-20 % и эти цепи имеют всего 4-5 звеньев. Выпадение того или иного  звена в этой цепи может полностью  изменить характер биоценоза.

Экологическая значимость изучения термодинамики заключается в том, что на основе научных знаний и качественных соотношений мы можем доказывать существующие связи между разными факторами и явлениями природы; рассматривать вопросы рационального использования природных ресурсов и охраны воздуха, воды и почвы; освещать экологические аспекты тепловых двигателей; расширять знания об антропогенных факторах и характере их влияния на природу.

Таким образом, актуальность курсовой работы обусловлена малоизученностью возможностей термодинамического подхода в решении вопросов и проблем экологии.

Целью курсовой работы является рассмотрение особенностей термодинамического подхода в решении вопросов и проблем экологии.

Предметом курсовой работы является совокупность теоретических и практических аспектов законов термодинамики в живых системах.

Объектом  курсовой работы является экологическая термодинамика.

Задачами  курсовой работы является:

- рассмотрение теоретических основ термодинамики в природе;

- изучение особенностей  необратимых изменений в окружающей среде и термодинамики;

- исследование  термодинамической направленности  эволюции экологических систем.

- анализ возможностей  применения термодинамики в решении  вопросов и проблем экологии.

Структура курсовой работы. Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

 

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ В ПРИРОДЕ

1.1. Необходимые и достаточные условия существования систем

Рождение жизни  на Земле, ее развитие и существование, антропогенная деятельность находятся в строгом соответствии со вторым началом термодинамики - законом возрастания энтропии. Этот закон показывает, как и каким образом происходит неизбежное ухудшение качества окружающей среды для достижения главной цели - обеспечения существования жизни на планете и устойчивого развития.

Для эволюции упорядоченных  систем и их существования требуются  необходимые и достаточные условия:

-необходимы источники, снабжающие системы веществом, энергией с низкой энтропией;

-возможность избавления от отходов, обладающих высокой энтропией.

Энтропию можно  охарактеризовать и через степень  упорядоченности системы. В неживых  системах энергия любых видов  со временем превращается в рассеянную тепловую энергию, при этом степень  упорядоченности системы уменыпается, энтропия возрастает. Так, кристалл, открытый дождям и ветрам, со временем превращается в порошок и утрачивает свою высокую упорядоченность. Сложное вещество скорее распадется на несколько более простых, чем образует еще более сложную упорядоченную структуру, т. е. в неживых системах энтропия возрастает (AS > 0)¹.

Энтропия - мера энергетического равновесия, мера устойчивости энергетического состояния, упорядоченности, стремления к равномерному распределению элементарных частиц при их бесконечном множестве. В замкнутых системах энтропия не может уменьшаться: она либо остается постоянной (обратимые процессы), либо увеличивается (необратимые процессы). Все живые системы характеризуются высокой степенью упорядоченности составляющих элементов, т. е. минимальным значением энтропии. Они сохраняют определенный уровень энергии и степень упорядоченности и, следовательно, противостоят увеличению энтропии (AS = 0).

Живые организмы могут  увеличивать свою упорядоченность, образуя более сложные структуры, но это возможно за счет непрерывной работы, в процессе которой происходит обязательное рассеивание энергии. На сохранение своей большой упорядоченности организму приходится затрачивать энергию, а это приводит к увеличению энтропии в окружающей среде.

При заболевании организма степень упорядоченности системы уменьшается, т. е. увеличивается степень беспорядка и, следовательно, энтропия системы возрастает. Мертвый организм характеризуется максимальной неупорядоченностью системы, т. е. максимальной энтропией, в результате чего приходит в равновесие с окружающей средой, его температура приходит в равновесие с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды².

Особенность живого организма состоит в том, что он поддерживает себя на сравнительно низком уровне энтропии, пользуясь высококачественной энергией, за счет возрастания энтропии окружающей среды, а условием существования жизни является достаточность энтропийных запасов окружающей природной среды.

Для обеспечения жизни  окружающая среда должна находиться в "достаточном упорядоченном  состоянии". В ней должны находиться ряд питающих подсистем: солнечное  излучение, воздух, вода, минералы, растения, животные и т.п. Существование и  развитие жизни создают новые высокоупорядоченные системы, но при этом ускоряются процессы возрастания энтропии.³

В окружающую среду (в космос) выносятся низкокачественные потоки энергии (длинноволновые излучения) и  другие отходы человеческой цивилизации. Жизнь создает актуальную упорядоченность из неактуальной неупорядоченности. При этом происходит увеличение энтропии в неактуальной части общей системы. В нашем случае актуальной подсистемой является биосфера на Земле, неактуальной - космическое пространство, откуда приходит солнечное излучение, дающее жизнь на Земле. Туда же, в космическое пространство, рассеивается излучение с земной поверхности. Это излучение обладает большей энтропией, т.е. более низким качеством энергии, чем поток солнечного излучения.

Поэтому рост упорядоченности в биосфере Земли с большим избытком оплачен увеличением энтропии Вселенной. Главное при этом заключается в том, что происходит перемещение роста энтропии в неактуальные части системы.

Таким образом, в полном согласии с законом возрастания энтропии достигается локальное уменьшение энтропии в актуальных для жизни человека подсистемах. В действительности, нет ни одного процесса в жизни, где нарушался бы закон возрастания энтропии. Все процессы в биосфере связаны с этим законом. Человек, как высший продукт живой природы, находится на верхнем уровне энтропийной пирамиды, где ее значение имеет очень малое значение, но устойчивость этого уровня обеспечивается за счет значительного возрастания энтропии нижележащих уровней и других питающих подсистем⁴.

Положение уровня человека весьма чувствительно к любым внешним воздействиям и требуется большой набор дополнительных достаточных условий, обеспечивающих относительную стабильность существования этого уровня, сложившегося в ходе длительных процессов эволюции живой материи. Мало того, что для обеспечения человеческой жизни нужны воздух, вода, пища, жилище, солнечное излучение и многое другое, но требуется, чтобы вода и воздух были чистыми. Такие, к каким привык человек за долгие годы эволюционного развития. Требуется большой набор биотических и абиотических факторов, обеспечивающих достаточность устойчивости жизни.

Быстрое изменение одного из этих факторов может нарушить устойчивость уровня в пирамиде, где находится  человек. Ни состав воды, ни состав воздуха  и т.д. не должны быстро меняться от состава, сложившегося за эволюционный период. Если, например, абиотические факторы меняются (состав воды, воздуха и т.п.), то скорость этих изменений должна быть такой, чтобы успевал срабатывать механизм адаптации живого организма. Необходимые (обязательное наличие низкой энтропии открытой подсистемы за счет большего прироста энтропии внешних питающих систем) и достаточные (набор биотических и абиотических факторов, постоянных или меняющихся со скоростью адаптации) условия обеспечивают устойчивость жизни в биосфере.

Необходимо отметить, что  эти условия не охватывают все  стороны многогранной жизни человека и общества с его наукой, культурой, производством, искусством, этикой, моралью  и т.д., однако они являются фундаментом  и каркасом здания, в котором живет и творит человек.

1.2. Термодинамический подход в экологии

Термин "экология" предложен в 1866 г. немецким биологом Э. Геккелем для обозначения специальной  биологической науки об организмах "у себя дома", т. е. о взаимоотношениях организмов, в первую очередь диких, и среды их обитания. Примерно с 60-х гг. XX в. под экологией (наукой об окружающей среде) стали понимать науку о различных аспектах взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем.⁵

Экология изучает взаимодействие организмов с окружающей средой, создавая целостную картину на основе всей доступной информации.

При этом термодинамический подход играет одну из ведущих ролей. Экология сформировалась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

Принцип стабильности вещества утверждает, что каждая подсистема в биосфере эволюционирует согласно термодинамической тенденции поиска минимума свободной энергии в процессе каждого эволюционного цикла. Принцип, применимый к молекулярной и супрамолекулярным структурам, был назван «принципом стабильности химического вещества». Впоследствии этот принцип был применен автором к различным иерархиям, т.е. к эволюции живой материи. Этот принцип известен также как «the principle of stability of matter, the principle of substance stability, the feedback principle».⁶

Супрамолекулярная термодинамика в эволюции отбирает наименее стабильные химические вещества, которые накапливаются в супрамолекулярных абиогенных структурах и далее, в живых структурах - организмах. Эти малостабильные химические вещества самопроизвольно распадаются и удаляются из организмов. Распавшиеся вещества пополняются новыми подобными соединениями, что характерно для обмена веществ. Появление в атмосфере кислорода способствует термодинамически выгодной деградации веществ через образование промежуточных кислородосодержащих продуктов превращения. Все это приводит к появлению новых супрамолекулярных подиерархий и эволюционному развитию организмов.⁷

Строгое сравнение абсолютной термодинамической стабильности веществ провести нельзя, поскольку химическая, как и иерархическая, термодинамика оперирует относительными величинами изменения функции Гиббса (Гельмгольца) образования продукта из элементов (простых веществ), находящихся, например, в стандартном состоянии. В качестве стандартного состояния выбирается такое состояние, при котором данный элемент устойчив, например, при 1 атм.

К тому же, при оценке относительной термодинамической стабильности надмолекулярной структуры живой системы, например, биологической ткани, невозможно эту стабильность относить к молю вещества, как это обычно делается в химической термодинамике. В этом случае удобно оперировать удельной величиной функции Гиббса образования супрамолекулярной гетерогенной структуры, рассчитанной на единицу объема или веса живой системы.

Биологические системы в основном состоят из углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, а также некоторых других элементов. В процессе эволюции элементный состав организмов меняется и усложняется. Для характеристики химической и супрамолекулярной термодинамической стабильности фрагментов нуклеиновых кислот и обрамляющих их белков и водных растворов достаточно, прежде всего, учитывать в их структуре наличие элементов: C, H, O, N, P, S.

Химическая термодинамическая стабильность основных цепей и азотистых нуклеооснований ДНК и РНК может оцениваться путем вычисления удельных функций Гиббса образования этих макромолекул (их фрагментов) из простых веществ (элементов).