Энергетические законы, закономерности, правила

 

Первое начало термодинамики, одно из основных положений тер­модинамики, являющееся по существу законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам:

Q = ΔU +A,

где Q — сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) количество теплоты,

А — совершаемая ею работа,

ΔU — изменение её внутренней энергии.

Некоторые формулировки закона:

— при любых физических и химических взаимодействиях, при любом перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой;

— энергия, получаемая или затраченная какой-либо живой или неживой системой, должна быть равна той энергии, которую одно­временно получила от системы или отдала ей окружающая её среда.

Некоторые следствия:

— в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам;

— нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить (бес­платный сыр только в мышеловке).

Второе начало термодинамики, один из основных законов термо­динамики, закон возрастания энтропии: в замкнутой, то есть изоли­рованной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, рав­новесные процессы), либо возрастает (в неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.

Другие эквивалентные формулировки:

— невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или ок­ружающей среде (Р. Клаузиус);

— невозможно создать периодически действующую (совершаю­щую какой-либо термодинамический цикл) машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответственно охлаждению теплового резервуара (У. Томсон, М. Планк);

— невозможно построить вечный двигатель 2-го рода (В. Освальд).

Закон возрастания энтропии называют также законом снижения качества энергии, согласно которому мы не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполне­ния полезной работы. Будучи раз использованной, сконцентрирован­ная высококачественная энергия рассеивается в окружающей среде в виде низкопотенциального тепла. Мы можем как-то повлиять на из­менение коэффициента полезного действия данного процесса.

Следовательно, с каждой новой энергетической эпохой развития общества человечество обязано не только механически увеличивать потребление энергии, но и сводить к минимуму то количество энтро­пии, которое производим мы сами.

Третье начало термодинамики (Нернста теорема), устанавливает, что энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается не­изменной. М. Планк дополнил теорему Нернста гипотезой, что энт­ропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из третьего начала термодинамики вытекают важные следствия о свой­ствах веществ вблизи абсолютного нуля. Так, обращаются в нуль: удельные теплоемкости при постоянном объеме (C_v) и при постоян­ном давлении (С_р), термический коэффициент расширения и давле­ния. Отсюда так же следует недостижимость абсолютного нуля тем­пературы при конечной последовательности термодинамических процессов.

Закон внутреннего динамического развития — один из фундамен­тальных экологических законов: всякая природная система обладает Внутренней энергией, веществом, информацией и динамическими ка­чествами, связанными настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает в другом или том же, но в другое время изме­нения, сохраняющие всю сумму перечисленных показателей. След­ствие этого закона: 1) любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природ­ных систем; 2) взаимодействие энергетических, вещественных и ин­формационных компонентов экосистемы не линейно, то есть слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать силь­ные отклонения в других и всей системы в целом; 3) производимые в крупных экосистемах изменения относительно необратимы (см. за­кон необратимости эволюции); 4) любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого-эконо-мического потенциала, увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений («правило Тришкина кафтана») (см. закон снижения энергетической эффектив­ности природопользования).

Закон Гюи-Стодолы — потеря эксэргии из-за необходимости про­цессов равна произведению температуры окружающей среды на сум­му приращенной энтропии всех тел, участвующих в исследуемых про­цессах:

TΣΔS_Нi.

Закон максимизации энергии (от лат. максимум — наибольшее) — в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энер­гии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным образом. «С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает часть накопленной энер­гии на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает кру­гооборот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособ­ления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими система­ми обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии спе­циальных видов» (Одум Г., Одум Э. Энергетический баланс человека и природы. — М., 1978. — С. 72-73). Закон, по мнению Н. Ф. Реймерса, справедлив и в отношении информации.

Закон максимума биогенной энергии (В. И. Вернадского — Э. С. Бауэра) — любая биологическая или другая система с участием живого, находясь в состоянии динамического равновесия с окружа­ющей ее средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздей­ствие на среду.

Закон минимума рассеивания энергии (или принцип направленности эволюции) — при возможности развития процесса в нескольких направлениях реализуется то, которое обеспечивает минимум рассе­ивания энергии (минимум роста энтропии). Таким образом, эволю­ция всегда направлена на снижение рассеивания энергии, на ее не­равномерное распределение, так как полная энтропия — абсолютно равномерное распределение энергии.

Закон необходимого разнообразия —любая система не может сфор­мироваться из абсолютно одинаковых элементов.

Закон неограниченности прогресса (от лат. прогрессу с — движение от низшего к высшему) — применительно к биологии: живое посто­янно, непрерывно и необходимо стремится к относительной незави­симости от условий среды. Этот же закон справедлив и в отношении к человеческому обществу.

Закон неравномерности развития биологических (и не только) сис­тем — системы одного уровня (иерархии) обычно развиваются не строго синхронно (одновременно, одинаково по времени): в то время как одни достигли более высокого уровня развития, другие остаются в менее развитом состоянии.

Закон ограниченности природных ресурсов — все природные ре­сурсы и условия Земли конечны. В этом смысле понятие «неисчерпа­емых природных ресурсов» вызывает большое сомнение; даже, каза­лось бы, неисчерпаемая солнечная энергия не может быть «переварена» биосферой в неограниченных количествах, без катаст­рофических для себя последствий.

Закон однонаправленности потока энергии — энергия, получаемая сообществом (экосистемой) и усваиваемая продуцентами, рассеива­ется или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т. д. порядков, а затем редуцентам с падением потока на каждом из трофических (от греч. трофи — пища) уровней в результате процессов, сопровождающих дыхание. Поскольку в об­ратный поток поступает не более 0,25% изначально вовлеченной энер­гии, говорить о «круговороте энергии» нельзя.

Закон оптимальности (от лат. оптимус — наилучший) — никакая система не может сужаться и расширяться до бесконечности, то есть размер любой системы должен соответствовать ее функциям. Ника­кой целостный организм не в состоянии превысить критические раз­меры, обеспечивающие поддержание его энергетики.

Закон пирамиды энергий Р. Линдемана (закон десяти процентов) — при переходе с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой потребляется в среднем 10% энергии биомассы (или вещества в энергетическом выражении).

Закон предельного развития материальных систем — материаль­ные системы (природные, технические и др.) при прогрессивном раз­витии, т.е. при совершенствовании, достигают характерного для каж­дой совокупности внешних и внутренних условий предела, который можно выразить максимальным (достижимым) значением КПД, удельной мощности и др.

Закон преимущественного развития, или закон конкуренции: в каж­дом классе материальных систем преимущественное развитие полу­чают те, которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимального значения энергетической эффек­тивности (КПД, удельной производительности, долговечности, на­дежности и т.д.).

Закон развития науки, согласно которому наука движется вперед пропорционально массе знаний, унаследованных ею от предшеству­ющего поколения (Ф. Энгельс).

Закон развития природной системы за счет окружающей ее среды — любая природная система может развиваться только за счет исполь­зования материальных, энергетических и информационных возмож­ностей окружающей ее среды. Этот закон вытекает из начал термо­динамики. Следствия из этого закона: 1) абсолютно безотходное производство невозможно, оно равнозначно созданию «вечного дви­гателя»; 2) любая более организованная биотическая система (напри­мер, вид живого), используя и видоизменяя среду жизни, представля­ет собой потенциальную угрозу для более низкоорганизованных систем. Благодаря этому, например, в земной биосфере невозможно повторное зарождение жизни она будет уничтожена существующи­ми организмами; 3) биосфера Земли как система развивается не толь­ко за счет ресурсов планеты, но опосредованно за счет и под управле­нием космических систем (прежде всего Солнечной).

Закон снижения энергетической эффективности природопользова­ния — с течением времени при получении полезной продукции из природных систем на ее единицу затрачивается все большее количе­ство энергии.

Например, в течение XX в. количество энергии, затра­чиваемое на производство единицы сельхозпродукции, возросло в 8-10 раз, промышленной продукции — в 10-12 раз с одновременным уменьшением доли более экологически чистой мускульной энергии. Следствия из данного закона:

— энерговооруженность жизни в ходе эволюции должна возрас­тать;

— рост благосостояния человеческой жизни должен сопровождать­ся количественным увеличением энергетического бюджета каждого человека.

Закон энергетической неэффективности большого государства: по­требность в энергии возрастает в странах, которые обладают обшир­ными территориями. Существует утверждение, что «критическая» площадь государства около 500 тыс. кв. км.

Одно из подтверждений в реальности такой закономерности — это удельные расходы топлива и энергии в Японии (4,5 т у.т./чел.год) и США (11,0 т у.т./чел.год), хотя среднегодовая температура воздуха в этих странах одинакова + 11,2°С.

Закон уменьшения энтропии открытых систем при прогрессивном развитии: энтропия открытых систем в процессе их прогрессивного развития всегда уменьшается за счет потребления энергии от внешних источников.

Закон экологии Барри Коммонера — все, что было извлечено из при­роды (экосистемы) человеческим трудом, должно быть возмещено.

Закономерность растущего плодородия, урожайности — агротех­нические и другие прогрессивные приемы ведения сельского хозяй­ства ведут к увеличению урожайности полей, при этом само плодо­родие как свойство почв не увеличивается, а высокие урожаи обеспечиваются огромными энергетическими вложениями (см. закон снижения энергетической эффективности природопользования).

Закономерность сохранения живой природы —для сохранения сво­его стационарно неустойчивого состояния живая природа непрерыв­но потребляет энергию. Переход подобной системы в новое стацио­нарное состояние связан с уменьшением потребления энергии из-за ослабления движущей силы,

Закономерность увеличения оборота вовлекаемых природных ре­сурсов — в процессе исторического развития мирового хозяйства быстрота оборачиваемости вовлеченных природных ресурсов (как первичных, так и вторичных) непрерывно возрастает, при этом тре­буется все больше энергии.

Правило интегрального ресурса (от лат. интегер — цельный, еди­ный) — конкурирующие в сфере использования определенных при­родных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу.

Правило одного процента — изменение энергетики природной си­стемы в пределах одного процента выводит природную систему из равновесного состояния.

«Золотое» правило энергетики — чем больше количество ступеней в процессе преобразования энергии, тем ниже практический КПД ее производства.

Ряд следствий из этого правила:

— концентрированное производство высококачественной энергии на крупных источниках вступает в противоречие со 2-м законом тер­модинамики;

— чем выше мощность источника, тем выше его энтропийный потенциал;

— любая централизованная система энергообеспечения, несмотря на все преимущества, способствует росту потерь (в объемах и в их видах).

Принцип Ле-Шателье—Брауна — при внешнем воздействии, вы­водящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздей­ствия ослабляется (см. 1-е следствие из закона внутреннего динами­ческого равновесия).

Принцип минимума возникновения энтропии (И. Пригожий, 1947): из всех устойчивых стационарных состояний системы, допускаемых граничными условиями, законами переноса и сохранения, а также вторым законом термодинамики, реализуется состояние с минималь­ным производством энтропии.

Другое определение принципа И. Пригожина: достижению систе­мой равновесного состояния (энтропия достигает максимума) пре­пятствуют какие-то внешние условия (теплоизоляция, герметизация и др.), при которых система переходит в состояние стационарно не­равновесное, характеризующееся минимальным значением скорости возникновения энтропии при данных внешних условиях:

ΔS/τ = (ΔS/τ)_min,

Принципы энергосбережения:

— Из всех изменений, которые наблюдаются в реальных изолиро­ванных системах, следует использовать в первую очередь те, кото­рые способствуют снижению интенсивности возрастания энтропии (ограничению темпов деградации энергии).

— Обеспечение в любой изолированной системе состояния с минимальным производством энтропии и есть энергосберегающий прин­цип функционирования этой системы.

— Принцип максимально возможного сохранения структуры сис­темы в неравновесном состоянии и есть одно из условий энергосбере­гающего развития этой системы.

— Энергосберегающая деятельность включает в себя следующие основные направления (по числу видов энтропии):

— мероприятия по снижению темпов деградации любых видов энер­гии, связанных с их переходом в тепловую энергию;

— реализация мер, способствующих росту упорядоченности строе­ния любых систем. Определяющей целью здесь является формирова­ние устойчивого общества, учитывающего интересы будущих поко­лений;

— обмен информацией между отдельными частями в любой систе­ме (и в обществе в целом) должен способствовать накоплению негэнтропии (отрицательной энтропии), пусть даже и за счет роста расхо­да энергии.

Энергетические определения:

— Энергетический цикл жизни состоит в том, что электроны сна­чала поднимаются на более высокий энергетический уровень фото­нами, а затем в живых системах падают обратно на свой основной уровень, отдавая при этом порциями свою избыточную энергию, ко­торая приводит в действие всю машину жизни (А. Сент-Дьердьи).

— Общественная деятельность людей в процессе производства есть неэквивалентный обмен энергией с природой, в результате которого должен увеличиться энергетический бюджет общества (или, соответ­ственно, негэнтропия).

— Труд — есть управление энергетическими потоками окружаю­щей человека природной среды, причем источником энергии для это­го служит сама природа.

— Энтропия — есть мера недостатка информации.

— Фотосинтез — это единственный на Земле естественный, само­произвольный процесс, в котором энтропия уменьшается за счет по­требления даровой солнечной энергии.