Термодинамика и моделирование открытых урбосистем и птс

Отыщи всему начало, и ты многое поймешь.

К. Прутков

Решение практических проблем, нарастающих в урбоэкологии от локального до глобального уровня, все больше определяется уровнем ее теоретического содержания. Важным аспектом становится возможность овладения основами новых методов физической химии. В урбоэкологии природно-техногенные системы (ПТС), как реальные объекты, наиболее полно и глубоко исследуются с позиции термодинамики необратимых процессов [3, 4, 24, 26, 77—79].

Система в термодинамике и ПТС в урбоэкологии

В науке урбоэкологии понятие «природно-техногенная система» аналогично понятию «система» в физической химии. В самом деле, в термодинамике и в урбоэкологии под системой понимают совокупность тел (атомов, молекул, минералов, горных пород, облаков и т. п.), которые мысленно отделяются от всего окружающего и взаимодействуют между собою. Тела, находящиеся за пределами выделяемой системы, относят к внешней среде.

Природно-техническая геосистема, как любая материальная система, претерпевает ряд превращений, обусловленных ее свойствами. Свойства, определяющие в конечном счете состояние системы, могут быть следующими: объем, давление, температура, внутреннее взаимодействие фаз (компонентов) системы, их концентрации, магнитное поле, электричество, сила тяготения и др. Их называют параметрами состояния. Отсюда, состояние системы может быть охарактеризовано при помощи переменных величин — параметров состояния.

Макроскопические параметры, которые определяются внешними телами, называют внешними параметрами. Те же, которые зависят от состояния компонентов внутри системы, называют внутренними параметрами. Важно помнить, что деление на внешние и внутренние параметры зависит от способа, которым система выделяется из окружающей среды.

Все параметры еще разделяются на две категории: экстенсивные и интенсивные.

Экстенсивные — это параметры, величины которых, исходя из названия, зависят от размеров системы или слагающих компонентов, от их массы. Они возрастают пропорционально возрастанию массы системы или компонентов и, следовательно, аддитивны. К экстенсивным параметрам относятся: расположение, объем, теплосодержание (энтальпия), масса, энтропия, энергия и пр.

Интенсивными, в противоположность экстенсивным, называются параметры, величина которых не зависит от размеров системы или фазы, т. е. они не аддитивны. К ним относятся: температура, давление, концентрация и пр. Парциальные величины, например, энергия, отнесенная к единице массы компонента, являются уже интенсивными. Аналогично и с объемом: объем системы относится к экстенсивным величинам, так как пропорционален массе системы, но парциальный объем компонента dV/dm от общей массы не зависит и представляет собой величину интенсивную.

Между параметрами этих двух категорий существует и другая связь. Например, изменение энтропии системы dS представляет собой экстенсивный параметр, связанный с абсолютной температурой Т и изменением тепловой энергии dQ:

Следовательно, энергия (тепловая, химическая, механическая и пр.) — это произведение экстенсивного и интенсивного параметров.

Изменение параметров системы, а также состояния системы во времени называется процессом. Процессы в термодинамике делятся на два класса: обратимые и необратимые. Обратимым (равновесным) процессом называют процесс, который можно провести и в прямом и в обратном направлениях через одни и те же стадии без каких-либо изменений в окружающей среде. Необратимый процесс протекает в прямом направлении не так, как в обратном. Стадии, через которые он протекает, в обратном направлении отличаются от стадий прямого направления, и в конце процесса в системе и окружающей среде легко обнаруживаются «следы» необратимого процесса. Важный вывод, который сделан из практического опыта, заключается в том, что все реальные процессы в природе в той или иной мере необратимы и протекают с конечной скоростью.

Для характеристики процессов в системах используют, прежде всего, основные параметры: температуру, давление, объем. Процесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим, при постоянном давлении — изобарическим, при постоянном объеме — изохорическим. При отсутствии теплообмена с внешней средой (система изолированная) процесс будет адиабатическим.

Однородные части системы, между которыми существуют поверхности раздела и которые хотя бы принципиально могут быть отделены друг от друга механическими методами, называются фазами (компонентами) системы. Каждая фаза характеризуется своей особой взаимосвязью свойств, т. е. особым уравнением состояния. Однофазные системы называются гомогенными, а многофазные — гетерогенными. В системе может происходить обмен энергией, объемом и другими параметрами с окружающей средой. Если система видоизменяется без взаимодействия с внешней средой, она называется изолированной системой. Считается, что изолированная система, предоставленная сама себе система, с течением времени придет в равновесное состояние, т. е. такое, из которого она сама по себе выйти уже не может и в котором ее энергия минимальна, а энтропия максимальна. Это утверждение — постулат термодинамики.

В зависимости от количества и качества параметров ПТГ в пределе можно выделить еще простые, изолированные, закрытые и открытые системы. Изолированные системы — это системы, которые как бы отделены от окружающей среды жесткой (не допускающей теплообмена, изменения объема системы), непроницаемой для потоков тепла и вещества оболочкой. Закрытые системы, которые не могут обмениваться с окружающей средой веществом, но могут изменять объем и обмениваться с окружающей средой теплотой. Открытые системы, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом и энергией, при соблюдении определенных условий. С введения в 1929 г. Р. Дефеем понятия об открытых системах началось применение аппарата классической термодинамики для анализа их природных аналогов. На базе термостатики появилась неравновесная термодинамика, в основе которой лежит принцип наименьшего производства энтропии в необратимых системах [79, 93].

Понятие «геосистема», за исключением заповедных и неосвоенных территорий, после работ В. Б. Сочавы [110] принято считать равнозначным понятию «природно-территориальный комплекс». В живой и неживой природе существует целый ряд примеров фактической связанности широкого круга объектов. В качестве примера можно привести классическую систему — «пчелы в улье». Трудности заключаются в том, что в общем случае ни сила связи, ни ее природа не определяют степени влияния одной части системы на другую. Даже пространственно разделенные части системы (макроскопически разделенные) способны влиять друг на друга множеством различных способов. Степень такого взаимного влияния иногда оказывается столь значительной, что уже невозможно рассматривать кажущиеся независимыми компоненты системы как действительно независимые. Так, в системе «пчелы в улье» связи в определенной степени реализуются за счет специфических веществ, запах которых и стимулирует действия. Энергия, затрачиваемая на связь, здесь ничтожно мала. При этом она не находится в соответствии с ролью, которую связь играет в объединении компонентов в более сложную структуру.