Решение экологических проблем средствами термодинамики 21 - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Гуманитарные и естественнонаучные факторы решения экологических проблем... 1 26.51kb.
Программа школьного объединения «союз экологов» 2 650.1kb.
Основы термодинамики 1 64.34kb.
Законы термодинамики Задание №1 1 48.45kb.
Лаборатория химической термодинамики (Термоцентр им. В. П. Глушко... 1 116.77kb.
Международная конференция по экологическим проблемам индустриальных... 1 171.78kb.
Устойчивое развитие: противоречивость основных подходов 1 109.2kb.
Программа «здоровье» Программа "Здоровье" предусматривает решение... 1 188.57kb.
Закон термодинамики 2 647.17kb.
Городская агломерация как социальное пространство: подходы к исследованию 1 125.38kb.
Сложность взаимоотношений человека с окружающей средой, с другими... 1 17.08kb.
Основные положения теории систем 1 96.54kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Решение экологических проблем средствами термодинамики 21 - страница №1/1


СОДЕРЖАНИЕ



СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ В ПРИРОДЕ 6

1.1. Необходимые и достаточные условия существования систем 6

1.2. Термодинамический подход в экологии 9

1.3. Необратимые изменения в окружающей среде и термодинамика 13

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ 17

2.1. Термодинамическая направленность эволюции экологических систем 17

2.2. Многообразие живых объектов и термодинамика 20

2.3. Решение экологических проблем средствами термодинамики 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 28





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).

Эти оценки будут относительны и - приближенные, но имеют значимый физический смысл. Это подтверждается существующими корреляциями и сопоставлениями температур плавления и температурных интервалов распада интересуемых нас веществ. В связи с известными корреляциями температуры распада химических соединений, температуры их кипения и плавления часто служат хорошим ориентиром для качественной оценки термодинамической стабильности этих соединений и их конденсированных фаз.

Термодинамическая стабильность супрамолекулярных структур - фрагментов нуклеиновых кислот может быть оценена путем использования уравнения Гиббса - Гельмгольца и аналога этого уравнения [3, 4, 8], применяемого для определения стабильности супрамолекулярных структур, образующихся между внутренними фрагментами цепей, а также внешними молекулами. В этом случае сравнение температур плавления структур также служат качественным показателем термодинамической стабильности структур.

Оценка термодинамической стабильности супрамолекулярных структур может быть проведена на основании использования ДСК (дифференциальносканирующей калориметрии). Однако и здесь такая оценка является приближенной. Биологические супрамолекулярные структуры плавятся в сравнительно широком интервале температур, поэтому определить температуру плавления различных фрагментов макромолекул и их окружения может быть затруднительно. Хотя известны факты, которые облегчают такую оценку путем вычисления стабильности отдельных однотипных супрамолекулярных структур биологических тканей (например, липидов).

Существует ряда допущений и постулатов, используемых при оценке термодинамической стабильности химических и супрамолекулярных биологических систем переменного химического и супрамолекулярного состава в ходе эволюции. Тем не менее, известные факты, и экспериментальные данные подтверждают разумность такой оценки. Причиной этому, по-видимому, является то обстоятельство, что жизнь существует в узком интервале температур, а живые системы состоят, в основном из элементов с близкой «абсолютной однотипной стабильностью». Возможно, с термодинамической точки зрения, биологические системы можно считать «квазитермодинамическими». Не исключено, что этот приближенный подход отпугивает некоторых исследователей от проведения анализа возникновения жизни и ее эволюционного развития с позиции иерархической термодинамики.

1.3. Необратимые изменения в окружающей среде и термодинамика


Планета Земля как целое, включая воду, воздух, землю, недра, а также биологические объекты, не исключая и человека, является термодинамической системой. Поэтому к ней вполне приложимо второе начало термодинамики: "В замкнутой системе энтропия не убывает". Энтропия - мера беспорядка, чем больше хаоса, тем численно больше энтропия.8

Смысл этого физического закона можно проиллюстрировать на примере комнаты, где ее жильцы ленятся проводить уборку: вскоре первоначальный порядок сам собой сменится беспорядком вещей, разбросанных по разным углам. Живой организм на первый взгляд является исключением из этого закона, его внутренние части долгое время находятся в порядке (кости не смешиваются с кровью), его смерть- итог относительно успешной борьбы со вторым началом.

Это достигается постоянным притоком свободной энергии из вне (с этой целью мы питаемся) и выбросом излишков энтропии во вне (с этой целью мы делаем выдох, а также производим фекалии). Подобным образом и наша, почти как живая, цивилизация обеспечивает свое существование. Порядок, существующий в городской техногенной среде, оплачивается беспорядком в нетронутой человеком природной среде.

Мы берем свободную энергию из вне (с этой целью сжиается уголь, бурятся глубокие нефтяные скважины) и выбрасываем излишки энтропии во вне (с этой целью создаются свалки мусора). Это неизбежно порождает экологические проблемы в масштабе всего мира (потепление климата, например), которые можно решать только сообща, всеми странами мира (ограничение использования фреонов для сохранения озонового слоя).

Глобальные экологические проблемы есть объективный результат взаимодействия нашей цивилизации и окружающей среды в эпоху промышленного развития. Началом этой эпохи принято считать 1860г., примерно в это время в результате бурного развития евроамериканского капитализма произошел выход тогдашней промышленности на новый уровень. Глобальные экологические проблемы делят на несколько групп, тесно связанных друг с другом:

-демографическая проблема (негативные последствия роста численности населения в 20-м в.)9;

-энергетическая проблема (дефицит энергии порождает поиск новых ее источников и связанным с их добычей и использованием загрязнением);

-пищевая проблема (необходимость достижения полноценного уровня питания всякого человека ставит вопросы в области сельского хозяйства и использования удобрений);

-проблема сохранения природных ресурсов (сырьевые и минеральные ресурсы истощаются еще с бронзового века, актуально сохранение генофонда человечества и биоразнообразия, пресная вода и кислород атмосферы ограничены);

-проблема защиты окружающей среды и человека от действия вредных веществ (известны печальные факты массового выбрасывания китов на побережье, ртутных и т.п. катастроф и ими вызванных отравлений).

Первые случаи смога в крупных городах в 60-х гг. требовали серьезного осмысления отношения человека и природы в глобальном масштабе. В 1968г. итальянский промышленник Аурелио Печчеи предложил ведущим ученым мира дать обоснованный прогноз развития человечества на 21-й в. Более десятка исследователей откликнулись на этот призыв, они образовали Римский клуб. Общее руководство проектом было возложено на Джея Форрестера, новатора в области системного анализа, который успешно реализовал свои идеи при компьютерном расчете деятельности предприятия, а также городского развития. В 1972г. был опубликован нашумевший доклад Римского клуба "Пределы роста", сделанннй на основании исследования Дж.Форрестера и его ученика Дэниса Медоуза10.

Проблема, в которой широко используется понятие термодинамики, - это проблема экологии. Необратимые изменения в окружающей среде, возникающие в процессе человеческой деятельности, также подчиняются законам термодинамики. Их отличие, правда, состоит в том, что мир, в котором мы существуем, представляет собой не замкнутую, а открытую систему, постоянно взаимодействующую со всей Вселенной путем энерго- и массообмена. Термодинамика такой открытой системы очень сложна, и поэтому выводы, следующие из рассмотренной термодинамики замкнутой системы, к ней неприменимы.

Однако методы рассмотрения, основанные на статистическом подходе, остаются прежними и позволяют сделать важные заключения о процессах, происходящих в живой природе.

Характерным примером здесь является процесс теплообмена Земли с окружающим пространством. Если рассматривать часть Вселенной, которой принадлежит наша планета, как совокупность физических объектов, образующих замкнутую систему, то согласно обычной термодинамике она неизбежно должна прийти в состояние теплового равновесия, в котором все тела имеют одинаковую температуру; процессов переноса тепла от более нагретых тел к менее нагретым не существует - возникает состояние «тепловой смерти». В открытой системе заключение о неизбежной тепловой смерти системы неправомерно - в такой системе происходит бесконечный теплообмен с окружающей средой. Кроме того, в системах, бесконечных в пространстве и времени, к которым относится наша Вселенная, нельзя исключить возникновения процессов, которые имеют малую вероятность и не могут происходить в замкнутых системах.

Значительные изменения в окружающую среду вносит деятельность человека. Технический прогресс и рост промышленного производства привел к тому, что результаты человеческой деятельности стали отрицательно влиять на состояние природы планеты.

Повышается средняя температура атмосферы - происходит так называемое «тепловое загрязнение» атмосферы, изменяется ее химический состав, меняется состав недр Земли, ухудшается состояние водных ресурсов и поверхности Земли, возникает радиоактивное заражение поверхности, начинают изменяться в нежелательном направлении условия биологического существования.

Все это требует принятия срочных мер по более рациональному развитию производительных сил.

С точки зрения термодинамики, деятельность человека, во-первых, имеет направленный, организующий характер, ведь в конечном счете цель человеческой деятельности - превращение окружающего мира в упорядочение работающую систему. Этот процесс организации среды приводит к уменьшению беспорядка и, следовательно, к уменьшению энтропии11.

Таким образом, деятельность человека, строго говоря, «работает» против второго начала термодинамики. Во-вторых, продукты этой деятельности - отходы в виде неиспользованного тепла, химические отходы и другие неполезные продукты деятельности - приводят к загрязнению окружающей среды, тем самым увеличивая энтропию всей системы.

Проблема экологии и заключается в том, чтобы в процессе человеческой деятельности минимально увеличивать энтропию окружающей среды.


ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ

2.1. Термодинамическая направленность эволюции экологических систем


Возможность применения классических термодинамических методов к проблемам экологии была, фактически, обоснована 1977 - 1978 годах, когда автор предложил термодинамическую теорию биологической эволюции. В последующие годы в журнальных статьях и монографиях, где обсуждались вопросы иерархической термодинамики, часто упоминалось о термодинамическом подходе к вопросам экологии. В меру своих сил автор пытался привлечь внимание к указанным проблемам молодежь. Однако это не привело к успеху.

В классическом понимании экологию определяют как науку об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и окружающей средой (средой обитания). Хотя существуют другие расширенные представления об экологии, приведенное определение, с точки зрения фундаментальной науки, по-видимому, следует считать вполне приемлемым. Можно заметить, что в последнее время начинают изучаться термодинамические аспекты экологии человека (Human ecology), исследующей взаимодействия людей и их сообществ между собой и окружающей средой12.

Экологическую термодинамику интересуют системы и процессы, изучаемые экологией. Иерархическая термодинамика (феноменологическая термодинамика квазиравновесных квазизакрытых систем) на определенных временах, при постоянстве усредненных условий окружающей среды, должна позволить делать количественные оценки и предсказания на физической основе . Заметим, что неравновесная «термодинамика» систем, далеких от состояния равновесие, не в состоянии исследовать экологические физически обоснованные модели. Она может, в лучшем случае, представить результаты экологических исследований только в словесной форме или в виде картинок. Широко используемое математическое моделирование поведения экологических систем также отдаляет нас от понимания природных явлений на естественнонаучной основе.

Следуя простому описанию термодинамики формирования (развития) иерархических живых структур, характеризуем некоторые термодинамические взаимодействия в экологической системе.

Выделим территорию, где обитают различные популяции и сообщества организмов в заданной (практически постоянной) среде обитания. Такую среду обитания можно считать физическим термостатом выделенной системы. В таких условиях в группах однотипных организмов - «элементарных группах» (группах организмов индивидуальных популяций, содержащих достаточно большое количество особей) равновесия между ними (организмами) устанавливается сравнительно быстро. Другими словами, в этом случае t1 (время достижения равновесия в «элементарной группе») мало. В то же самое время, равновесия между группами разных популяций (т.е. группами, содержащими различные организмы) устанавливаются значительно медленнее.13

Другими словами эти равновесия устанавливаются на сравнительно больших временах (t2), адаптация «элементарных групп» различной природы (связанная с обменом вещества и энергии между ними) - сравнительно медленный процесс. Таким образом, удельная функция Гиббса образования структур «элементарных групп» - сложных термодинамических мини-систем (часто, представляющих «элементарные объемы» общей экологической системы) достигает минимума на малых временах t1, то есть сравнительно «мгновенно». Поэтому изменение этих удельных величин (∆Ḡ*eco< 0) в процессе эволюции выделенной экологической системы объективно характеризует изменение стабильности исследуемых «элементарных групп». Такого типа модели можно создавать для эволюции разнообразных экологических систем и их подсистем. Разумеется, что при построении подобных моделей определяющую роль играет возможность разделения (посредством сильных неравенств) времен, характеризующих процессы достижения равновесий (квазиравновесий) при формировании иерархических структур: t1 << t2 .14

Подобные явления достижения иерархических равновесий наблюдаются в дисперсных коллоидных и эмульсионных системах. Это подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Наиболее известной многокомпонентной полидисперсной природной системой является молоко, компоненты которого находятся в тонкодисперсном состоянии. Вычисления термодинамических величин для подобных случаев общеизвестны.

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, экологического), смежного с низшим уровнем (например, популяционным) при эволюции биологического объекта становится относительно более стабильным, а структуры низшего уровня (в данном случае, популяционного) 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. Существование взаимно подстраивающихся иерархических структур, характерное для явления жизни, приводит к многочисленному многообразию внутриклеточных структур, клеток, организмов, популяций, экологических систем.



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.

1 Хорошавина С. Г.   Концепции современного естествознания. 4-е. изд. - Ростов н/Д: Феникс, 2005.

2 Хорошавина С. Г.   Концепции современного естествознания. 4-е. изд. - Ростов н/Д: Феникс, 2005.

3 Гершензон Е.М. и др. Г37 Молекулярная физика: учеб. пособие для студ. Высш. Пед. Учеб. заведений /Е.М. Гершензон, И.Н. Малов, А.М. Мансуров. - М.: Издательский центр "Академия", 2007.

4 Гашев С.Н. Упругая устойчивость экологических систем.//Сибирский экологический журнал. № 5, 2006.

5 Литвинов Ю.Н. Влияние факторов различной природы на показатели разнообразия сообществ мелких млекопитающих // Успехи современной биологии. 2006. Т.124, вып. 6.

6 Гашев С.Н. Упругая устойчивость экологических систем.//Сибирский экологический журнал. № 5, 2006.

7 Гашев С.Н. Методологические подходы к решению современных проблем в экологии // Современные наукоемкие технологии. - 2008.

8 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. 

9 Результаты исследований изменений климата для стратегий устойчивого развития Российской Федерации. - Росгидромет. - ООО Вива-Стар. - 2007.

10 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. 

11 Гашев С.Н. Методологические подходы к решению современных проблем в экологии // Современные наукоемкие технологии. - 2008.

12 Куклев Ю.И. Физическая экология: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 2005.

13 Куклев Ю.И. Физическая экология: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 2005.

14 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. 

15 Куклев Ю.И. Физическая экология: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 2005.

16 Гашев С.Н. Методологические подходы к решению современных проблем в экологии // Современные наукоемкие технологии. - 2008.

17 Воронцов А.А., Степаненко С.Р. Системный синтез как термодинамические метод прогнозирования климата // Современные наукоемкие технологии. - 2011.

18 Гашев С.Н. Конспекты лекций по системной экологии. Изд-во ТюмГУ: Тюмень, 2007.

19 Воронцов А.А., Степаненко С.Р. Системный синтез как термодинамические метод прогнозирования климата // Современные наукоемкие технологии. - 2011.

20 Воронцов А.А., Степаненко С.Р. Системный синтез как термодинамические метод прогнозирования климата // Современные наукоемкие технологии. - 2011.