Термодинамика в экологии

2.2. Многообразие живых объектов и термодинамика

В каждой, пространственно  выделяемой природой, моноиерархической  квазизакрытой биологической «элементарной» системе - микрообъеме любого иерархического уровня и подуровня скорость установления «усредненного» супрамолекулярного равновесия высока по сравнению со скоростью обмена веществом между указанными выделенными структурами (микрообъемами - сравнительно стабильными или мерцающими кластерами). В каждой упомянутой системе (подсистеме) - микрообъеме удельная функция Гиббса образования упомянутой супрамолекулярной структуры достигает минимума.

Однако на сравнительно больших временах выделенные системы (микрообъемы) обмениваются веществом и подстраиваются друг к другу, другими словами,- взаимно адаптируются с точки зрения равновесной термодинамики. Подобные явления наблюдаются в дисперсных системах, например, в коллоидных растворах. Это подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Наиболее известной многокомпонентной полидисперсной природной системой является молоко, компоненты которого находятся в тонкодисперсном состоянии. Вряд ли у кого возникнут сомнения в применимости равновесной термодинамики при изучении этой замечательной природной «коллоидной системы».¹⁵

Иерархическая термодинамика шаг за шагом (через взаимодействие структур смежных иерархий) оптимизирует стабильность смежных иерархий. Согласно принципу стабильности вещества (принципу обратных связей) структуры высшего уровня (например, супрамолекулярного), смежного с низшим уровнем (например, молекулярным) при эволюции биологического объекта становится относительно более стабильным, а структуры низшего уровня (в данном случае, молекулярного) становится относительно менее стабильными. По цепочке «от иерархии к иерархии», в соответствие с термодинамическим механизмом «вперед - назад» вдоль иерархической цепи структур, происходит оптимизация максимальной стабильности всех моноиерархий полииерархической системы, например, организма или общества.

Существование взаимно подстраивающихся иерархических  структур, характерное для явления  жизни, приводит к многочисленному  многообразию внутриклеточных структур, клеток, организмов и других живых  систем высших иерархий.

2.3. Решение экологических проблем средствами термодинамики

Важными предпосылками  в решении экологических проблем, безусловно, были и являются те, которые  тесно связаны с вопросами  становления и развития биологических (и экологических) систем путем их самоорганизации в более крупные надсистемы. Сам принцип иерархической организации, или принцип интегративных уровней, в биологии и экологии принимается как аксиома, а не просто как эмпирически наблюдаемый факт. Столь же аксиоматически утверждается и проявление эмерджентности с переходом от одного уровня иерархии к другому. Причем, сейчас уже практически не вызывает возражений модель такого развития в форме сужающейся вдоль оси времени спирали (известная модель Тейяра-де-Шардена). Временная развертка этой спирали на плоскости представляет собой синусоиду, отражающую периодический характер всех процессов в живой (и не только!) природе¹⁶.

Именно понимание  таких общих закономерностей  развития позволило сформулировать не только периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева в химии, периодический закон географической зональности Л.А. Григорьева - М.И.Будыко в географии и экологии, но и закон гомологических рядов и наследственной изменчивости Н.И. Вавилова в биологии. Подобные попытки по созданию периодической системы предпринимались в области систематики и таксономии растительного царства лесничим из п. Сосьва ХМАО Тюменской области А.А. Брандисом, но реализованы были, например, для дереворазрушающих грибов в докторской диссертации С.П. Арефьева.

Предпосылкой (в  том числе и с точки зрения классической термодинамики) прогрессивного или регрессивного развития в  эволюции, как и в экологии (в  части эволюции сообществ), является принцип всеобщего детерминизма, к сожалению, не всеми еще признаваемый безоговорочно, регулирующий эти процессы через механизмы отрицательной и положительной обратной связи, обеспечивая высокую степень адаптированности системы к окружающей среде. При этом важную роль в микроэволюционных процессах имеют не только полезные новоприобретения, но и приобретенные ранее свойства, заключенные в скрытом виде в архетипе (например, в геноме - для организмов, или в закономерностях демутационных сукцессий - для экосистем). Возвращение к ним в эволюционное прошлое при слабых «расшатывающих» систему, но не летальных (элиминирующих) воздействиях доказано неоднократно, и не противоречит закону необратимости эволюции Л. Долло, так как представляет собой не развитие вспять, а лишь повторение пройденного ранее.¹⁷

Ключевым понятием при анализе состояния экосистем является их устойчивость, слагающаяся из резистентной и упругой составляющих и тесно связанная со структурной и функциональной сложностью системы. Полностью разделяя термодинамический принцип «устойчивого неравновесия» биологических систем Э.С.Бауэра, мы считаем, что об устойчивости реальных экосистем все же можно говорить в условиях практически постоянного притока в экологические системы энергии Солнца, скорость остывания которого ничтожно мала на протяжении времени существования большинства из экосистем. Для экосистем устойчивость имеет прямо пропорциональную связь с их видовым разнообразием и обратную - с видовым богатством. При этом устойчивость системы должна дифференцировано оцениваться на каждой стадии ее онтогенеза (по сравнению с «возрастной» нормой), с учетом самого хода этого онтогенеза системы, что снимает мнимое методологическое противоречие, якобы заложенное в термине «устойчивое развитие».¹⁸

Методологически следует строго различать понятия  «стабильность» и «устойчивость» экологической системы (они не имеют, например, строгих англоязычных аналогов, что усложняет понимание феномена учеными разных стран). Устойчивость экологических систем в нашей интерпретации является их внутренним свойством («способность к стабильности» - «the ability to stability»), тогда как стабильность («the stability») системы выступает как характеристика состояния системы во времени или пространстве и является натурным проявлением свойств экосистемы (в т.ч. устойчивости) при определенных условиях внешней среды.

Понимание этих важных моментов, безусловно, будет  способствовать выработке эффективных  механизмов оценки состояния и прогнозирования  экосистем, что, на наш взгляд, ляжет  в основу рационального природопользования.

Экологические проблемы современности, как известно, приобретают необычайную остроту и глобальность, и решать их придется сегодняшнему подрастающему поколению.

Двигатели внутреннего  сгорания стали одним из главных  загрязнителей атмосферы (примерно около 30%). Так как число автомобилей  растет, то растет и количество опасных загрязнителей. Особенно опасны продукты сгорания этилированного бензина, содержащие соединения свинца. Общее количество различных химических соединений в выхлопе автомобиля составляет около 40. Было бы заблуждением думать, что электрический транспорт не загрязняет окружающую среду. Для того чтобы подать электроэнергию поездам, троллейбусам, трамваям и метро, нужно сжечь топливо на ТЭЦ или АЭС.

Повышение экономичности  тепловых двигателей характеризуется  повышением КПД. Наибольшее значение КПД дизеля около 45%, а для карбюраторного двигателя – 30%. Если рассмотреть КПД с экономических и экологических позиций как эффективность преобразователя энергии в цепи энергоноситель – транспорт, то он кажется гораздо ниже. Например, КПД цепи нефть – бензин – автомобиль равен примерно 4,2%, а КПД цепи энергоноситель – электростанция – электропоезд – 6,1%. Для электромобиля, работающего на аккумуляторе, подзаряжаемом от сети, КПД равен 2%. Такой электромобиль не является альтернативным транспортом. Альтернатива в другом, например, в использовании солнечной энергии непосредственно в автомобиле, в применении магнитной подвески и линейных электродвигателей, пневмотранспорта и т.п. Повышение экономичности обычных двигателей внутреннего сгорания достигается за счет применения электронного зажигания, сферических камер сгорания, вихревой продувки, дожигания несгоревших газов и др¹⁹.

Большие перспективы  в развитии транспортных средств  связывают с применением линейных электродвигателей в поездах  на магнитной или воздушной подвеске. В этом случае решается несколько задач: в качестве двигателя используется линейный асинхронный электродвигатель, роль движителя выполняет бегущее электромагнитное поле, вместо опоры на колеса магнитное поле. Экологичность такого транспорта обусловлена отсутствием вредных выбросов в атмосферу, шума, вибраций. Такой транспорт имеет более высокий КПД, поскольку практически отсутствует механическое трение в двигателе и движителе, меньше материалоемкость и энергоемкость.

Паровые и газовые турбины в основном используются на тепловых электростанциях, на крупных судах. Топки электростанций выбрасывают в атмосферу вредные для живых организмов вещества (выбрасывают не только газообразные продукты сгорания, аэрозоли, но и дают золу, шлаки). Применение паровых и газовых турбин требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара. При увеличении мощности электростанции возрастает потребность в воде и газе. С целью экономии занимаемой площади и водных ресурсов сооружают комплексы электростанций с замкнутыми циклами водоснабжения²⁰.

Задача повышения  КПД теплового двигателя тесно  связана с охраной природы, а  именно с рациональным использованием природных ресурсов. Поэтому применение термодинамики может положительно сказаться на решении глобальных экологических проблем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Живые системы  для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать  энергию.

Энергетические  процессы в экосистемах подчиняются  первому и второму законам  термодинамики. В соответствии с  ними, энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую (первый закон термодинамики - закон сохранения энергии). При этом часть энергии рассеивается в виде тепла. Мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (S) (второй закон термодинамики). В соответствии со вторым законом термодинамики, самопроизвольно протекают процессы, в результате которых энтропия системы увеличивается, т. е. AS > 0.

Живым организмам свойственно биологическое обновление. Или, с позиций теории систем, динамическому состоянию (состояние в любой момент времени) живой системы характерно то, что элементы системы разрушаются и строятся заново. Для этого процесса биологического обновления живой системе необходим приток извне веществ и энергии, а также возможность выводить во внешнюю среду продуктов распада и тепла. Исходя из этой необходимости, живая система должна быть открытой системой. Благодаря свойству открытости, живой системе также необходимо уметь сохранять свою целостность. Целостность живой системы достигается за счет постоянства процесса биологического обновления. Постоянство процесса разрушения и восстановления создает и поддерживает физическое и химическое неравновесие. Поэтому, благодаря своему свойству открытости, живая система характеризуется постоянством своего неравновесного состояния. Любое отклонение от этого постоянства неравновесного состояния, то есть прекращение процесса биологического обновления, приведет к разрушению живой системы и к ее смерти.

В ходе рассмотрения курсовой работы мы пришли к выводу, что экологическая термодинамика является одной из областей иерархической термодинамики. Применение методов равновесной (квазиравновесной) термодинамики к изучению экологических систем, как и других иерархических живых структур, связано с разделением характерных времен процессов, протекающих в живом мире. Она призвана разрешить многие экологические вопросы.

Термодинамика изучает закономерности теплового  движения в равновесных системах и при переходе систем в равновесие (классическая или равновесная, термодинамическая), а так же обобщает эти закономерности на неравновесные системы равновесная термодинамическая или термодинамика необратимых процессов.

Термодинамика необратимых процессов является сравнительно молодым и интенсивно развивающимся разделом термодинамической физики. Она возникла в результате обобщения классической термодинамики на область малых отклонений системы от равновесия и в дальнейшем была распространена на построение теории процессов в сильно неравновесных системах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бордовский Г.А., Бурсиан Э.В. Общая физика: курс лекций с компъютерной поддержкой: Учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. заведений: В 2 Т. - М: Издательство Владос-пресс, 2009.
2. Воронцов А.А., Степаненко С.Р. Системный синтез как термодинамические метод прогнозирования климата // Современные наукоемкие технологии. - 2011.
3. Гашев С.Н. Конспекты лекций по системной экологии. Изд-во ТюмГУ: Тюмень, 2007.
4. Гашев С.Н. Методологические подходы к решению современных проблем в экологии // Современные наукоемкие технологии. - 2008.
5. Гашев С.Н. Млекопитающие в системе экологического мониторинга (на примере Тюменской области). Тюмень: ТюмГУ, 2008.
6. Гашев С.Н. Обобщенный показатель благополучия сообществ мелких млекопитающих при экологическом мониторинге. /Тез. докл. Межд. конф. «Разнообразие и управление ресурсами животного мира в условиях хозяйственного освоения Европейского Севера», Сыктывкар: Ин-т биологии КомиНЦ УрО РАН, 2008.
7. Гашев С.Н. Упругая устойчивость экологических систем.//Сибирский экологический журнал. № 5, 2006.
8. Гершензон Е.М. Молекулярная физика: учеб. пособие для студ. Высш. Пед. Учеб. заведений /Е.М. Гершензон, И.Н. Малов, А.М. Мансуров. - М.: Издательский центр "Академия", 2007.
9. Димитриенко Ю. И. Нелинейная механика сплошной среды. М.: Физматлит, 2010
10. Дымников В.П. и др. Климат и его изменения: математическая теория и численное моделирование // Сиб. журн. вычисл. матем. - 2005.
11. Карно С., Клаузиус Р., Томсон В. (лорд Кельвин), Больцман Л., Смолуховский М. Под ред. и комментариями и предисловием: Тимирязев А. К. Второе начало термодинамики. Антология. Изд.2. Серия: Физико-математическое наследие: физика (термодинамика и статистическая механика). - М.: Изд-во ЛКИ, 2007. 
12. Куклев Ю.И. Физическая экология: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 2005.
13. Литвинов Ю.Н. Влияние факторов различной природы на показатели разнообразия сообществ мелких млекопитающих // Успехи современной биологии. 2006.
14. Результаты исследований изменений климата для стратегий устойчивого развития Российской Федерации. - Росгидромет. - ООО Вива-Стар. - 2007.
15. Хорошавина С. Г.   Концепции современного естествознания. 4-е. изд. - Ростов н/Д: Феникс, 2005.
16. Шут Н.И. Электрика и магнетизм: Навч.-метод. Посібник для самост.работы. НПУ ім.М.П.Драгоманова, Киів,-2005.