Законы термодинамики. 
Законы термодинамики и их значение для энергосбережения

Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы.

В идеальном случае экосистема со сбалансированной жизнедеятельностью автотрофных организмов и гетеротрофных организмов может приближаться к замкнутой системе, обменивающейся с окружающей средой только энергией. Однако в естественных условиях длительное существование экосистем возможно при притоке из окружающей среды не только энергии, но и большего или меньшего количества вещества. Все реальные экосистемы, в совокупности слагающие биосферу Земли, принадлежат к открытым системам, обменивающимся с окружающей их средой веществом и энергией.

Энергия (гр. еnergeiа — деятельность) — источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. С помощью энергии производятся все продукты питания, необходимые для жизни человека и других организмов. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, осуществлять круговорот веществ и производить все виды работы в природе.

Энергия — движущая сила мироздания. Основное свойство материи — способность производить работу. Законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на работе, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие, согласно фундаментальным законам физики. Законы термодинамики имеют универсальное проявление в природе.

Лауреат Нобелевской премии Ф. Садди писал: «Законы термодинамики определяют взлеты и падения политических систем, свободу и ограничения государств, развитие торговли и промышленности, причины богатства и нищеты, благосостояние человечества». Ясно, что будущее зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «Э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного подхода, поскольку энергия — это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в ряд экономических, а экономические — оценивать с позиций экологии.

Природные экологические системы могут служить моделью общих принципов функционирования систем, основанных на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет, несмотря на их огромное биоразнообразие и индивидуальные качества различных биосистем, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых систем.

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

Q = ДU + A,.

где Qсообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) количество теплоты, A — совершаемая ею работа, ДU — 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 которого 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 (Сv) и при постоянном давлении (Ср), 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 формирование 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-экономического потенциала, увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений («правило Тришкина кафтана») (см. Закон снижения энергетической эффективности природопользования).

Закон Гюи-Стодолы — потеря эксергии из-за необходимости процессов равно произведению температуры окружающей среды на сумму приращенной энтропии всех тел, участвующих в исследуемых процессах — ТУДSHi.

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. прогрессус — 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 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 (от греческого трофи — пища) 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 другие) 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 века 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 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-ым 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. Пригожин, 1947 г.):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.

Д S/ф= (ДS/ф)min.