Лекции по концепциям современного естествознания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.Энергия, энтропия  и среда обитания

 

 

Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся общей мерой  различных форм движения материи. Иными  словами, энергия - это просто число, рассчитываемое по определенным правилам.  
Среди термодинамических функций, характеризующих энергетическое состояние биологического объекта, исключительно важное место принадлежит энтропии. Понятие энтропии было введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом, и с тех пор эта функция привлекает внимание физиков и физикохимиков. Ведь живой организм - это прежде всего энергетическая система, где действуют те же законы термодинамики, что и в неживой природе. Следует, однако, учесть, что живые организмы характеризуются некоторыми особенностями, которые отсутствуют у физических объектов. Это, как известно, размножение, развитие и т.д. Поэтому энергетический обмен таких систем обладает качественным своеобразием и требует специального анализа.  
Современные процессы, связанные с увеличением интенсивности воздействия человека на природную среду, рост многообразия форм ее преобразования не только ставят на повестку дня исследование необходимых гармоничных связей внутри системы "общество - природа", но выдвигают как наиболее актуальную проблему сохранения естественного мира. Неоправданный, излишний оптимизм, с которым не только практики, но и теоретики подходят к формированию среды обитания человека без учета всей ее сложности, приводит к неизвестным ранее коренным изменениям природы, отрицательно сказывающимся как на ее ценности вообще, так и на эстетических значениях.

 

 

 

9. Оценка пользы  малой энергетики

 

Малая энергетика (альтернативная энергетика) — это на сегодняшний  день наиболее экономичное решение  энергетических проблем в условиях все возрастающей потребности в  энергоресурсах. Автономность малой  энергетики позволяет решит задачу электро- и теплоснабжения удаленных  и энергодефицитных районов, которым  трудно найти средства на строительство  крупных станций, прокладки теплоцентралей. 
Малая энергетика - направление энергетики, связанное с получением независимых от централизованных сетей тепла и электричества. Характерной чертой установок в малой энергетике являются компактные размеры генераторных блоков и, как правило, мобильность конструкций.

Новые технологии и материалы  позволяют сегодня делать компактные энергетические установки доступными для небольших производств и  населенных пунктов. Массовое производство генераторов дает возможность создавать  на их основе новые, интересные решения, используя при этом тот источник энергии, который всегда был рядом, но ещё вчера не приносил никакой  «энергетической пользы».

  Важная функция малой энергетики - создание резервных источников питания (электроснабжения), что делает возможным обезопасить потребителя от перебоев в основной сети. Это особенно важно для электроснабжения медицинских, военных, торговых и производственных комплексов. Как отмечают специалисты, малая энергетика наиболее востребована сегодня в энергоемких производствах нефтехимии, текстильной промышленности, производстве минеральных удобрений. Не секрет, что значительная часть себестоимости продукции и услуг приходиться на энергетические расходы. И значит, вложенные средства в строительство объектов малой (альтернативной) энергетики не только быстро окупаются, но и делают предприятие независимым от роста цен на электроэнергию и углеводородное сырье.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Энтропия и  охрана окружающей среды

 

Понятие энтропии было введено  Р. Клаузиусом. Энтропия - мера рассеивания свободной энергии. Известно, что любая открытая термодинамическая система в стационарном состоянии стремится к минимальному рассеиванию свободной энергии. Поэтому если в силу причин система отклонилась от стационарного состояния, то вследствие стремления системы к минимальной энтропии, в ней возникают внутренние изменения, возвращающие ее в стационарное состояние.

Абсолютное значение энтропии зависит от целого ряда физических параметров. При фиксированном объеме энтропия увеличивается с увеличением  температуры системы, а при фиксированной  температуре увеличивается с  увеличением объема и уменьшением  давления. Нагревание системы сопровождается фазовыми превращениями и снижением  степени упорядоченности системы, поскольку твердое тело переходит  в жидкость, а жидкость превращается в газ. При охлаждении вещества происходит обратный процесс, упорядоченность  системы возрастает. Эта упорядоченность  проявляется в том, что молекулы вещества занимают все более определенное положение относительно друг друга. В твердом теле их положение фиксировано  структурой кристаллической решетки.

Другими словами - энтропия выступает мерой хаоса.

Все процессы в природе  протекают в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы соответствует состояние  с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким  образом, увеличение энтропии системы  означает переход в состояние, имеющее  большую вероятность. То есть энтропия характеризует вероятность, с которой  устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера хаоса в расположении атомов, фотонов, электронов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия. Чем больше информации поступает в систему, тем система более организована, и тем меньше её энтропия.

Охрана окружающей среды

Кардинальное решение  проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов и производств. Идеальными в том смысле являются многие природные экосистемы, в которых отходы одних организмов служат средой обитания для других.

Во  многих  странах  сейчас  ведутся  работы  по  созданию  и использованию экологически чистых источников энергии – солнца, ветра, приливов и отливов. В XXI в. на околоземной орбите планируется  разместить  солнечно-энергетические  комплексы, которые  будут  преобразовывать  солнечную  энергию  в  электрическую. Это приведет к тому, что ископаемое топливо все больше будет применяться как ценное сырье для химической, нефте-химической и других отраслей промышленности, ибо, как сказал Д.И. Менделеев, использовать его для сжигания – все равно, что отапливаться ассигнациями.

В настоящее время очень важным является вопрос утилизации отходов, включение их в производство. Например в развитых зарубежных странах каждый новый автомобиль примерно  на 40% состоит  из  регенерированного  металла,  при изготовлении  самолетов  используется  до 60% алюминия,  бывшего в употреблении.

 

 

 

 

11. Космос и  биосфера

 

Исходной основной существования  биосферы и происходящих в ней  биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей  планеты, в первую очередь ее расстояние  от Солнца и наклон земной оси к  плоскости земной орбиты. Пространственное расположение Земли в основном определяет климат на планете, а последний, в  свою очередь, - жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Основным источником энергии для всех геологических, химических и биологических процессов  на нашей планете является Солнце. Среди космических факторов особенно серьезное влияние на биосферу оказывают  природно – радиационный фон и  магнитные поля. Природно – радиационный фон слагается из трех компонентов:

- природные радионуклиоды  (уран, торий);

- продукты их радиоактивного  распада, которые находятся во  всех элементах земной коры, почве,  воде, атмосфере и поглощаются  всеми живыми организмами;

- высокоэнергетические излучения,  попадающие на Землю из космического  пространства в виде потока  фонового излучения. 

Вопреки нашим страхам  перед радиоактивностью, которые  усилились после аварии на Чернобыльской  АЭС, оказывается, что без природно – радиационного фона нормальное существование живых организмов невозможно. Это следы эпохи возникновения  и первоначального существования  жизни, когда более высокий уровень  радиоактивности служил первым организмам дополнительным источником энергии.

Биосфера также погружена  в океан электромагнитных полей  космического, земного и биогенного происхождения. Практически все  процессы жизнедеятельности связаны с электромагнитными полями, диапазон которых лежит в широком интервале длин волн.

Электромагнитный фон  биосферы является эволюционным фактором, который влияет на биологические  ритмы. Космические излучения, генерируемые ядром Галактики, нейтронными звездами, ближайшими звездными системами, Солнцем  и планетами, пронизывают биосферу и все пространство в ней. В  этом потоке разнообразных излучений  основное место принадлежит солнечному излучению, которое оказывает постоянное воздействие на все явления на Земле.

Еще В.И. Вернадский писал  о том, что Солнцем в корне  переработан и изменен лик  Земли, пронизана и охвачена вся  биосфера. Более того, сама биосфера является проявлением его излучений. В ней происходит превращение  солнечной энергии в новые  формы мной свободной энергии, которая  в корне меняет историю и судьбу нашей планеты. Таким образом, земная жизнь не является чем - то случайным. Напротив, она входит в космопланетарный механизм биосферы.

Более  подробно солнечно – земные связи рассмотрел А.Л. Чижевский (основатель гелиобиологии). Он отмечал, что все самые разнообразные  и разнохарактерные явления на Земле  – химические превращения земной коры, и динамика самой планеты  составляющих ее частей (атмосферы, гидросферы, литосферы) – протекают под воздействием Солнца. Оно является основным источником энергии, причиной всего на Земле  – от легкого ветерка произрастания  растений до смерчей и ураганов и  умственной деятельности человека.

 

 

 

12. Цивилизация – на путях поиска идеальной энергетики будущего

 

В современный период энергетика играет важную роль в развитии человечества. Энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия  используются человеком после превращения  ее в электрическую энергию. Значительное количество энергии, заключенной в  органическом топливе, используется в  виде тепловой, и только часть ее превращается в электрическую.

От энергетики также зависит  экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает  наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические  проблемы (изменение климата, кислотные  осадки, всеобщее загрязнение среды  и другие) прямо или косвенно связаны  с производством или  с использованием энергии. Так высвобождение энергии  из органического топлива связано  с его сжиганием, а, следовательно, и с поступлением продуктов горения  в окружающую среду. Это показывает неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии, так как они экологичны и  возобновляемы.

Перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии.

Альтернативные источники  энергии:

Энергия Солнца

Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной  энергии.

Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию  солнечной энергии для отопления  домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Ветряная  энергия

Потенциал энергии ветра  подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической  организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год.

Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких  как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции  синтеза широко распространены в  природе, будучи источником энергии  звезд.

Гидроэнергия

Гидроэнергостанции - один из источников энергии, претендующих на экологическую  чистоту. В начале XX века крупные  и горные реки мира привлекли к  себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно  дешевую энергию.

Энергия приливов и отливов

Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Проекты приливных  гидроэлектростанций детально разработаны  в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах.

Геотермальная энергия

Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже  применяемый источник “чистой” энергии.

 Гидротермальная  энергия

Активно используется тепло  воды. Вода - это всегда хотя бы несколько  градусов тепла, а летом она нагревается  до 25 С. Почему бы не использовать часть  этого тепла?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Стохастическая модель  «хищник - жертва» и модель  морфогенеза

 

Модель взаимодействия "хищник-жертва" независимо предложили в 1925-1927 гг. Лотка  и Вольтерра. Два дифференциальных уравнения моделируют временную  динамику численности двух биологических  популяций жертвы y₀ и хищника y₁. Предполагается, что жертвы размножаются с постоянной скоростью C, а их численность убывает вследствие поедания хищниками. Хищники же размножаются со скоростью, пропорциональной количеству пищи (с коэффициентом r) и умирают естественным образом (смертность определяется константой D).  
Модель замечательна тем, что в такой системе наблюдаются циклическое увеличение и уменьшение численности и хищника  и жертвы, так часто наблюдаемое в природе. Фазовый портрет системы представляет собой концентрические замкнутые кривые, окружающие одну стационарную точку, называемую центром.