Термодинамика. Законы термодинамики

За першим способом можливо в недалекому майбутньому в космосі створити приймачі сонячного випромінювання у вигляді досконалих гелиобатарей і передавати цю енергію на Землю. За другим способом можна використовувати атомну або термоядерну енергію. При цьому маємо низьку ентропію процесів вивільнення енергії при перетворенні атомних ядер. Проте, при зростанні енергоспоживання (наприклад, в 102 раз більше, ніж нині), що все збільшується, знову встане проблема поховання радіоактивних відходів у величезних кількостях і позбавлення від теплових забруднень. Негодяще тепло від атомних станцій і інших джерел енергії викличе істотний нагрів атмосфери, гідросфери, літосфери, що є серйозною загрозою, що порушує стійку рівновагу. Оцінимо величину ентропії, стосовно теплової системи "Земля". Вважаємо, що сонячне випромінювання, що падає, має внутрішню енергію Е1 і температуру Т2 а розсіяне Землею в космос випромінювання має відповідно Е2 і Т2. В середньому енергія на Землі не накопичується, тому з відомим наближенням можна вважати, що Е1=Е2 = Е і ентропія на Землі дорівнює різниці ентропії сонячного випромінювання, що падає, і розсіяного в космос випромінювання Землі. Вважаємо Землю рівноважною термодинамічною системою типу абсолютно чорного тіла. Величина ентропії Землі за абсолютною величиною буде рівна:

(6)

Рахуючи T2 ≈6000 До і T2 ≈300 До, з урахуванням інтенсивності  сонячного випромінювання і геометричних розмірів Землі, маємо:

*кал∙град- 1∙г- 1 (7)

Враховуючи, що * вираження (7) набере вигляду:

, *кал∙град- 1 ∙г- 1. (8)

З (8) видно, що чим менше  Т2 тобто глибше охолодження випромінювання, що йде, від Землі в космос при  постійній кількості і якості сонячного випромінювання, тим можна  більше добитися більшої різниці  ентропії між якісною сонячною енергією і низькоякісною, розсіяною в космос енергією Землі. При більшій деградації енергії Е2 Землі, що розсіюється в космос у вигляді більше довгохвильового випромінювання, більше число фотонів переноситиме задане кількості енергії, оскільки сонячне випромінювання, що падає з енергією Е1 і частотою v1 має N1 квантів, а що йде в космос з поверхні Землі випромінювання з енергією Е2 має N2 квантів. Враховуючи, що E1 = E2 і v1>v2, маємо:

N1hv1 = N2hv2 (19) або * (9)

Збільшення числа квантів N2 з частотою v2<v1 означає зростання ентропії. Рослинний покрив Землі додатково сприяє охолодженню випромінювання, що йде, тобто температура Т2 зменшується, але при цьому збільшується зростання ентропії Всесвітом. Знову приходимо до початкового тлумачення. Локально в окремій впорядкованій підсистемі можна добитися зменшення ентропії, але для усієї системи в цілому буде більше пиращение ентропії. Для окремих термодинамічних систем найважливішою характеристикою є похідна ентропії за часом: dSi/dt, де Si - внутрішня ентропія системи. Через цю величину можна виражати умови динамічної рівноваги, еволюційного розвитку і стійкої рівноваги. В ході різних виробничих процесів, використання природних ресурсів, розпиляло матеріалів в довкіллі, утворення у вигляді фізичних, хімічних і біологічних забруднень ентропія системи "Людина - довкілля" збільшується.

 

 

 

Термодинаміка і проблеми охорони довкілля.

Для багатьох ці поняття - фізика і екологія - здаються несумісними. Адже фізика, впровадження її результатів  в промисловість представляються як одне з найголовніших джерел забруднення довкілля. І дійсно, атомна промисловість, енергетика, інші галузі, широко використовуючі досягнення фізики, дають немало прикладів негативної дії на довкілля. Але фізика має до екології і інше, наповнене позитивним змістом, відношення. Існують різні тлумачення терміну "екологія". Згідно з класичним визначенням, екологія як самостійна наука відноситься до наук біологічних, та і сам термін "екологія" був запропонований німецьким біологом-еволюціоністом Э. Геккелем. Разом з таким "біологічним" розумінням екології в сучасному суспільстві існує поняття "екологія" як уявлення про рівень техногенного забруднення довкілля, уявлення про екологію як науку, що займається вивченням антропогенної дії на довкілля і розробкою методів зменшення цієї дії. Такі представлення не є науковими, але саме вони найширше поширені в суспільстві, а також серед учених, що займаються прикладними дослідженнями. Нове розуміння екології виникло на основі теорії систем, термодинаміки відкритих систем і є найбільш "фізичним". Це розуміння екології сходить до робіт А.А. Богданова, В. І. Вернадського. Богданов ще на початку XX століття висловив думку про те, що закони організації повинні діяти не лише в живій, але і неживій природі. Наявність структур, організованість - це найважливіші риси природи. Вернадський, розвиваючи вчення про біосферу і ноосферу, використовував поняття організованості як найважливішої властивості матеріальних і енергетичних частин біосфери. І вважав, що антропогенна дія може стати потужнішим геологічним і геохімічним чинником, ніж усі природні процеси разом узяті. Згідно В. Г. Горшкову, при повному порушенні скоррелированного взаємодії видів в природних співтовариствах біоти довкілля може повністю (на 100%) спотворитися за десятки років. Якщо ж уся біота буде знищена, то спотворення довкілля на 100% за рахунок геофизичних процесів станеться тільки за сотні тисяч років. Починаючи принаймні з XX століття біота суші перестала поглинати надлишок вуглецю з атмосфери. Навпаки, вона стала викидати вуглець в атмосферу, збільшуючи забруднення довкілля, вироблюване промисловими підприємствами. Це означає, що структура природної біоти суші порушена в глобальних масштабах. Що стосується усієї біосфери, можна констатувати, що її сучасний частково забруднений стан оборотно, вона може повернутися в колишній стійкий стан при скороченні антропогенного забруднення на порядок величини. Іншого стійкого стану біосфери не існує, і при збереженні або прискоренні темпів обурення біосфери стійкість довкілля буде зруйнована. Звідси витікає, що ноосфера (сфера розуму) як екологічна ніша стійкого існування і розвитку цивілізованої людини за наявності економіко-технологічної діяльності можлива тільки при збереженні достатньої кількості біоти на великій території планети. Таким чином, головне природне протистояння, пов'язане з існуванням і розвитком життя на Землі, здійснюється між геофизичними процесами, що обурюють біосферу, і біотою, компенсуючою ці обурення. Звідси ясна роль фундаментальних досліджень в області екологічної геофізики і фізики взагалі. Глибоке вивчення проблем екологічної геофізики розширить можливості пошуків виходу з екологічної кризи, обумовленої неконтрольованою антропогенною дією на довкілля. У зв'язку з дослідженням термодинаміки відкритих систем і вивченням процесів самоорганізації в нерівноважних системах стали зрозумілими фізичні причини самоорганізації в живій і неживій природі. Елементи або системи живої і неживої природи є відкритими термодинамічними системами, далекими від стану рівноваги. Їх пронизують потоки енергії і речовини, і тому в них і відбуваються процеси структуризації, самоорганізації. Таким чином, самоорганізація систем в природі базується на фундаментальних фізичних принципах. И.Р. Пригожин, лауреат Нобелівської премії по хімії, назвав впорядковані утворення, які виникають в ході нерівноважних процесів, диссипативними структурами. Диссипативні структури виникають в результаті розвитку власних внутрішніх процесів системи. При цьому відбувається обмін системи енергією і речовиною з довкіллям, що забезпечує стан динамічної рівноваги (балансу потоків), незважаючи на внутрішні втрати в системі. У цьому їх відмінність від впорядкованих структур, виникнення яких обумовлене зовнішніми діями. Системи океанічних течій, циркуляція в атмосфері є яскравими і добре відомими прикладами диссипативних структур, існуючих на планеті. Земля є відкритою системою. Основний потік енергії поступає від Сонця. В процесі фотосинтезу і наступних перетворень ця енергія трансформується в інші форми. Тепло, що приходить, урівноважується тепловим випромінюванням Землі. Класичним прикладом диссипативних структур є циркуляційні осередки Бенара. Представте: рідина, налита в широку плоску посудину, підігрівається знизу; після того, як градієнт температури рідини перевищить деяке критичне значення, уся рідина в посудині розбивається на систему сотообразних циркуляційних осередків; у центральній частині осередку рідина піднімається, а в пограничних бічних гранях - опускається, в поверхневому шарі рідина розтікається від центру до країв, а в придонному - навпаки. Залежно від знаку температурної залежності коефіцієнта молекулярної в'язкості від температури напрям руху в осередках змінюється на зворотний. Виникнення циркуляційних осередків забезпечує передачу більшого теплового потоку в рідині в порівнянні з тепловим потоком, який передавався тільки за рахунок молекулярної теплопровідності. Гігантська структура таких осередків спостерігається на Сонці. Повернемося до згаданого вище визначення екології, яке являється, з одного боку, найбільш загальним, а з іншої - найбільш "фізичним". Визначимо екологію як науку про організацію і еволюцію біосферних систем різних рівнів складності (у тому числі усієї біосфери), що вивчає зв'язки і перетворення в таких системах. Завдання екології полягає у встановленні причин і умов виникнення і розвитку біосферних систем різного рівня складності, вивчення стійкості цих систем. Екологія в цьому випадку розуміється як наука, що вивчає процеси самоорганізації і еволюції систем в живій і неживій природі, а особлива роль фізики у вивченні найважливіших проблем екології - добре видна. Екологія на сучасній стадії свого розвитку є наукою, покликаною об'єднати, синтезувати сукупність наукових знань про біосферу. Цей процес інтеграції може бути вирішений тільки на основі якого-небудь загального початку. Вважаємо, що саме фізика через сказане вище повинна виступити таким об'єднуючим початком. Прогнозна функція екології може бути виконана тільки у тому випадку, якщо вона базуватиметься на фундаментальних принципах природи, законах організації природи. Частина екологічних проблем, що вивчаються фізикою, може бути виділена в особливу галузь екології - екологічну фізику. Геофізика (фізика Землі), що вивчає, зокрема, фізичні процеси в літосфері, гідросфері, атмосфері, по суті досліджує фізичні процеси в біосфері або її частинах. Необхідно вказати, що більшість екологічних чинників мають геофизичну природу. Геофізика, що накопила найбагатший досвід дослідження закономірностей фізичних процесів, що протікають в оболонках Землі, на стику яких і формуються життєво важливі екосистеми, схильні до впливу геоэволюционного і катастрофічно зростаючого антропогенного чинників, може узяти на себе рішення ряду екологічних проблем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновок.

Широкий спектр фізичних методів вивчення речовини повинен знайти застосування в створенні ефективних засобів моніторингу екосистем різного рівня. Очевидно, що глобальні методи моніторингу можуть бути створені тільки на основі фізичних принципів.

Досвід розробки фізико-математичних моделей природних процесів також може бути корисним в дослідженні впливу антропогенних дій на функціонування екосистем. Усі перераховані напрями можуть бути віднесені до сфери інтересів нової науки, що розвивається на стику фізики і екології, - екологічної фізики. Зміст цього нового напряму ще чітко не визначений і знаходиться у стадії становлення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Використана література:

1. Базарів И.П. термодинаміка: навчань. для. внз. - 4-е видавництво, перераб. і доп. - М.: Висш. Шк., 1991. - 376 с.: мул.
2. Бордовский Г. А., Бурсиан Э.В. Би.82. загальна фізика: курс лекцій з компъютерной підтримкою: Навчань. посібник для студ. Висш. Навчань. закладів: В 2 Т. - М: Видавництво Владос-прес, 2001. - Т. 1. - 240с.: мул.
3. Гершензон Е.М. та ін. Г37 Молекулярна фізика: навчань. посібник для студ. Висш. Пед. Навчань. закладів /Е.М. Гершензон, И.Н. Малов, А.М. Мансуров. - М.: Видавничий центр "Академія", 2000. - 272 с.
4. Кричевский И.Р., Петрянов И.В. К828 Термодинаміка для багатьох. М., "Педагогіка", 1975., 160с з мул. (бібліотечка Дитячої енциклопедії "Учені - школяру")
5. Куклев Ю.И. до.89. Фізична екологія: Навчань. посібник. - М.: Вища школа, 2001. - 357 с.: мул.