Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Біосфера - це відкрита термодинамічна система, яка отримує енергію у вигляді променистої енергії Сонця і теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети. Радіоактивна енергія, частка якої в енергетичному балансі планети була значною на абіотичних фазах, нині не відіграє помітної ролі в житті біосфери, і основне джерело енергії сьогодні - це сонячне випромінювання. Щорічно Земля отримує від Сонця енергію, яка становить близько 10,5 * 1020 кДж. Велика частина цієї енергії відбивається від хмар, пилу і земної поверхні (близько 34%), нагріває атмосферу, літосферу і Світовий океан, після чого розсіюється в космічному просторі у вигляді інфрачервоного випромінювання (42%), витрачається на випаровування води і утворення хмар (23 %), на переміщення повітряних мас - утворення вітру (близько 1%). І тільки 0,023% сонячної енергії, що потрапляє на Землю, вловлюється продуцентами - вищими рослинами, водоростями і фототрофних бактеріями - і запасається в процесі фотосинтезу у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук. За рік в результаті фотосинтезу утворюється близько 100 млрд. Т органічних речовин, в яких запасається не менше 1,8 * 1017 кДж енергії.
Ця пов'язана енергія далі використовується консументами і редуцентами в ланцюгах харчування, і за його рахунок жива речовина виконує роботу - концентрує, трансформує, акумулює і перерозподіляє хімічні елементи в земній корі, розбиває і агрегує неживу речовину. Робота живої речовини супроводжується розсіюванням у вигляді тепла майже всієї запасеної в процесі фотосинтезу сонячної енергії. Лише частки відсотка цієї «фотосинтетичної» енергії не потрапляють в ланцюзі харчування і консервуються в осадових породах у вигляді органічної речовини торфу, вугілля, нафти і природного газу.
Отже, в процесі роботи, яку здійснює біосфера, уловленого сонячна енергія трансформується, тобто йде на виконання так званої корисної роботи, і розсіюється. Ці два процеси підкоряються двом фундаментальним природним законам - першому і другому законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки часто називають законом збереження енергії. Це означає, що енергія не може бути ні народжений, ні знищена, вона може бути тільки трансформована з однієї форми в іншу. Кількість енергії при цьому не змінюється.
В екологічних системах відбувається багато перетворень енергії: промениста енергія Сонця завдяки фотосинтезу перетворюється в енергію хімічних зв'язків органічної речовини продуцентів, енергія, запасена продуцентами, - на енергію, акумульовану в органічній речовині консументів різних рівнів, і т. Д. Сучасне людське суспільство також перетворює величезні кількості однієї енергії на іншу. Другий закон термодинаміки визначає напрям якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу. Закон визначає співвідношення корисної і марної роботи при переході енергії з однієї форми в іншу і дає уявлення про якість самої енергії.
Другий закон термодинаміки, я вважаю, панує серед законів Природи. І якщо ваша гіпотеза суперечить цьому закону, я нічим не можу вам допомогти. (А. Еддінгтон, англійський астроном.
Згадаймо, що під енергією розуміють здатність системи здійснювати роботу. Але при будь-трансформації енергії лише частина її витрачається на виконання корисної роботи. Решта ж безповоротно розсіюється у вигляді тепла, тобто здійснюється порожня робота, пов'язана зі збільшенням швидкості безладного руху частинок. Чим більший відсоток енергії витрачається на виконання корисної роботи і, відповідно, чим менше відсоток при цьому розсіюється у вигляді тепла, тим вище вважається якість вихідної енергії. Високоякісна енергія може бути без додаткових енергетичних витрат трансформована в більшу кількість інших видів енергії, ніж низькоякісна.
Енергією низької якості є енергія безладного броунівського руху, тобто теплова. її не можна використовувати для виконання корисної роботи. Кількість енергії низької якості, непридатної для здійснення корисної роботи, називають ентропією. Спрощено ентропія - це міра дезорганізації, безладу, випадковості систем і процесів.
Отже, за другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та низької якості - тепло - і призводить до зростання ентропії.
Знизити ентропію в термодинамічно закритій системі, яка не отримує енергії ззовні, неможливо - адже вся якісна енергія такої системи врешті-решт перетворюється на низькоякісну, деградує до тепла. Однак у відкритій термодинамічній системі можливо протидіяти зростанню ентропії, використовуючи для цього високоякісну енергію, що надходить ззовні, і відводячи низькоякісну енергію за межі системи.
Всесвіт є закритою системою, і в ньому ентропія постійно зростає. Зате біосфера є відкритою системою, яка підтримує власний низький рівень ентропії, використовуючи для цього зовнішнє джерело якісної променевої енергії - Сонце - і розсіюючи в космічний простір низькоякісну теплову енергію. Тому, крім ентропії фізичної (ентропії замкнутої системи), в екології використовують поняття «ентропія екологічна» - кількість необоротно розсіяною в просторі теплової енергії, яка, однак, компенсується трансформованою енергією зовнішнього джерела - Сонця.