Фундаментальні закони перетворення енергії. Перетворення енергії в живих об’єктах.Форми і якість енергії. Потоки енергії в екосистемах

Уся різноманітність життя на Землі супроводжується перетвореннями енергії. Без цих перетворень енергії не було б життя. Наша цивілізація – одне з унікальних явищ природи , що цілком залежить від єдиного джерела енергії – Сонця. Можна навіть сказати, що екологія прояснює зв’язок між світлом і екологічними системами, а також способи перетворення енергії в екосистемах. Енергія – засоб управління усіма природними і суспільними системами. Компонент енергії є в усьому: в матерії, інформації, творах мистецтва та людському дусі.

ЕНЕРГІЯ – загальна міра руху і взаємодії

Властивості енергії находять відображення в двох основних фундаментальних законах – першому і другому законах термодінаміки.

Перший закон термодінаміки – енергія може переходити з однієї форми в іншу, але не виникає з нічого і нікуди не зникає.

Розглянемо процеси перетворення енергії на прикладі світла.

1.Перетворення енергії світла в потенційну енергію без участі живих організмів. Сонячне світло розсіюється в космічному просторі, але деяка його частина досягає Землі. Світло поглинається предметом, який при цьому нагрівається. Світова енергія при цьому перетворюється в теплову. Внаслідок нерівномірного нагрівання води й суші утворюються повітряні потоки, які вирівнюють температуру, але й можуть виконувати механічну роботу – якщо на шляху переміщення повітряних потоків встановити вітряк, вони будуть крутити його.

Світло Тепло Кінетична енергія руху повітря

Потенційна енергія (піднятий груз)

2.Перетворення енергії світла в потенційну енергію з участю живих організмів. Сонячна енергія, що одержується поверхнею зеленого листя, перетворюється в процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв’язків органічних сполук, що синтезуються. Органічні сполуки, утворені внаслідок фотосинтезу вміщують енергію харчу, яка перетворюєтьсядалі при споживанні харчу тваринами в потенційну енергію м’язової діяльності.

Світло Енергія хімічних зв’язків Енергія харчу

Потенційна енергія м’язів (піднятий груз)

Другий закон термодінаміки – процеси, пов’язані з перетвореннями енергії можуть здійснюватися самотіч тільки при умові, що енергія переходить з концентрованої форми в розсіяну.

Наприклад, тепло нагрітого предмета самотіч розсіюється в більш холодному середовищі, поки температура предмета й середовища не зрівняється. Процес йде тільки в одному напрямку, зворотній шлях заборонений – предмет, який знаходиться в середовищі і має однакову з ним температуру, не може самотіч розігрітися, а середовище при цьому охолонути.

І все ж таки перетворення енергії в живій матерії не можуть в повній мірі бути пояснені з позицій класичної термодінаміки. З одного боку, з позицій класичної термодінаміки запас корисної енергії, що рухає життям, рано чи пізно буде вичерпаний, при цьому ентропія буде зростати. Зростання внутрішньої невпорядкованості повинно приводити до переходу високоорганізованих структур до низькоорганізованих, тобто, до їх руйнування.

З іншого ж боку, згідно з еволюцією біосфери напрямок розвитку різноманітних форм життя має протилежну тенденцію – від низькоорганізованих форм до високоорганізованих. Жива матерія дивовижним чином організується у впорядковані структури в протиріччі з твердженням другого закону термодінаміки.

Важлива термодінамічна характеристика організмів, екосистем та біосфери загалом – здатність здійснювати та підтримувати виский ступінь внутрішньої впорядкованості, тобто, стан з низькою ентропією.

ЕНТРОПІЯ – це міра впорядкованості, або кількість енергії, що недоступна для використання.

Системає має низьку ентропію, якщо в ній здійснюються постійні витрати легко доступної енергії (енергії світла, харчу) і перетворення її в енергію, яка використовується важко (теплову). Перетворення же енергії світла в тепло здійснюється в процесі дихання-окислення. Ми споживаємо їжу (наслідок перетворення світда), вона перетворюється в енергію хімічних зв’язків, яка йде на підтримування життя, температури тіла. Остання розсіюється в середовищі. Впорядкованість екосистеми, тобто, стан з низькою ентропією підтримується за допомогою дихання всієї сукупності живих організмів, яке відкачує з системи невпорядкованість.

Екосистеми можна вважати відкритими нерівноважними термодінамічними системами, що постійно обмінюються з навколишнім середовищем енергією та речовиною, тим самим зменшуючи ентропію всередині себе, проте накопичуючи її зовні згідно з законами термодінаміки.

Багато вчених здавна були стурбовані тим, що збереження функціональної впорядкованості живих істот призводить до нагромадження корисної енергії в екосистемах і як би спростовує другий закон термодінаміки. В природі існують процеси, протилежні розсіюванню енергії – процеси нагромаджування та концентрації сонячної енергії. Специфічні унікальні функції перетворення розсіяної сонячної енергії в концентровану енергію органічних речовин в природі виконують рослини – ці процеси можна вважати антіентропійними. Праця людини зіграла суттєву роль в акумуляції корисної енергії – розширенні запасов продуктів харчування, підвищенні якості концентрованої сонячної енергії, в тому числі за допомогою технічних засобів, зокрема, геліотехніки.

Узгодженість другого закону термодінаміки із здатністю живих систем створювати високоорганізовані впорядковані структури обгрунтував нобелевський лауреат І. Пригожин. Він показав, що здатність до самоорганізації може зустрічатися в системах, що далекі від рівноважних, проте мають добре розвинуті дисипатівні структури, які відкачують невпорядкованість. Для підтримування внутрішньої впорядкованості в системі. що перебуває при температурі вище абсолютного нуля, коли існує хаотичний рух атомів і молекул, необхідна постійна робота з откачки невпорядкованості.

Дихання впорядкованої біомаси можна рохглядати як своєрідну дисипативну структуру екосистеми. В екосистемі відношення загального дихання угрупування (Д) до йогос сумарної біомаси (Б), тобто Д/Б , можна розглядати як відношення витрат енергії на підтримування порядку, необхідного для життєдіяльності, до потенційної енергії, що вміщена в біомасі, тобто, як міру термодінамічної впорядкованості. Якщо в закритій системі без притоку енергії зовні різко зростає біомаса, то зменшуються витрати енергії, необхідні для підтримування впорядкованості системи (Д), тоді вона поступово руйнується й гине.

Ефективне використання енергії забезпечує виживання систем у змаганні з іншими системами. В лісі виживають дерева тих видів, які найкращим чином використовують сонячну енергію, енергію дощу і харчових речовин грунту, тим самим вони підтримують життєдіяльність лісу загалом.

Жива матерія відрізняється від неживої поперед усього здатністю акумулювати з навколишнього простору вільну енергію, перетворювати і концентрувати її, щоб протистояти зростанню ентропії.

Отже, порядок, що створюється енергетичними потоками в екосистемах), зв’язаний із зміненнями якості акумульованої живими організмами енергії.

Енергія існує в багатьох формах і видах: сонячна, теплова, хімічна, електрична, атомна, енергія вітру, води, тощо. Форми енергії розрізняються за здатністю здійснювати корисну роботу. Енергія слабкого вітру, прибою, малопотужних горячих джерел може здійснити невелику кількість роботи. Концентровані форми енергії (вугілля, нафта, газ) мають високий робочий потенціал. Енергія сонячного світла порівняно з енергією палива має низьку працездатність, а порівняно з розсіяною низькотемпературною теплотою – високу. Якість енергії , сконцентрованої в біомасі рослин, тварин, паливі, відрізняється від якості розсіяної теплової енергії.

Якість енергії характеризує її здатність виконувати роботу, тобто енергія характеризується не тільки кількістю, але й якістю. Для створення енергії більш високої якості необхідні витарати енергії більш низької якості. В природі показником якості енергії може слугувати кількість калорій сонячного світла, яка повинна розсіятися, щоб утворилася 1 калорія більш високоякісної форми енергії. Наприклад, перетворення сонячного світла в електричну енергію завжди супроводжується зменшенням кількості, але зростанням якості акумульованої енергії. Ще один приклад: щоб утворилася 1 ккал біомаси рослини, потрібно приблизно в 10 разів менше ккал сонячного світла, ніж для утворення 1 ккал біомаси рослинноядногої тварини. Здатність же виконувати роботу одиниці біомаси тварини в відповідну кількість разів вище, ніж такої ж біомаси(026) рослин.

Використання енергії в біосфері визначається кількісним розподілом та її якістю. Сонячне світло падає на планету з енергією 2кал∙см²/хвил, але при проходженні через атмосферу воно слабкішає і навіть в ясний сонячний день до поверхні Землі доходить не більше 67%, тобто 1,34кал∙см²/хвил. Доля сонячної енергії в біосфері складається так: віддзеркалюється 30%, перетворюється в тепло 46%, витрачається на випаровування води та опади 23%,перетворюється в енергію вітра. хвиль, течий 0,2%, йде на фотосинтез 0,8%. Клітини рослин утворюють органічні речовини з високою якістю енергії, а розсіювана в космічний простір енергія знижує свою якість. Під дією певних умов (температури, тиску. тощо) на протязі міліонів років органічні речовиниперетворювалися в торф, вугілля, нафту, тобто енергія нагромаджувалася у вигляді корисних горючих копалин. В ХХ сторіччі ці запаси активно експлуатувалися для забезпечення функціонування штучних систем,створених людиною: міст, заводів, машин, тощо. Величезна робота, що виконує біосфера (збереження і розвиток життя, нагромадження горючих копалин та ін.) за рахунок невеликої кількості (0,8%) сконцентрованої рослинами сонячної енергії, пояснюється високим ступенем якості акумульованої частини енергії.

Питання для самоконтроля

Питання 4.1. Чи може світова енергія перетворюватися в потенційну без участі живих організмів?

Так.

Ні.

Питання 4.2. Чи можуть живі організми перетворювати енергію світла в потенційну?

Так.

Ні.

Питання 4.3. Чи можна сказати. що немає заборонень і обмежень на шляху перетворення енергії з одних форм в інші?

Так.

Ні.

Питання 4.4. Чи можна чекати на плнеті стану, коли вся енергія буде вичерпана і перейде в розсіяну форму, тобто настане повна невпорядкованість і життя виникне?

Так.

Ні.

Питання 4.5. Чи можна сказати. що одни форми енергії завжди мають більш низьку якість порівняно зіншими?

Так.

Ні.

Питання 4.6. Чи можна сказати , що жива матерія відрізняється від неживої її відношенням до вільної енергії, що перебуває в навколишньому просторі?

Так.
Ні.

Питання 4.7. Чи можна вважати, що від здатності до вживання енергії залежить виживання організмів в екосистемі?

Так.

Ні.

Параграф 4.2