Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию

Поляков В. И.,

2.3.5. Энергетика и термодинамика систем

Общесистемные правила энергообмена, выведенные из наблюдения за физическими и биологическими системами, определяют жизнеспособность любых систем. При этом не следует предполагать, что человек, человеческие сообщества и весь человеческий социум, как единая система, могут игнорировать эти правила. Для любых систем, включая системы с участием живого, действует правило - аналог закона сохранения энергии:

• Ø Энергетическая выгодность или высокий коэффициент полезного действия в системах живого один из главнейших признаков жизнеспособности.

В дальнейшем анализе невозможно объять необъятное, и мы выделим только некоторые из законов, включённых в свою совокупность Н.Ф. Реймерсом. Четыре общих закона, обязательные для материальных систем:

• Ø закон сохранения массы: «Масса поступающего в систему вещества минус масса выходящего равна массе накапливаемого в системе вещества».
• Ø закон сохранения энергии (первый принцип термодинамики): «При всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую».
• Ø второй принцип термодинамики: «Потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности полного перехода одного вида энергии в другой».
• Ø закон энергетической проводимости: «Поток энергии, вещества и информации в системе должен быть сквозным, объединяющим её».

Первые три закона подтверждены в физике и химии, а четвёртый является их экологическим развитием для межсистемного взаимодействия. Вместе они служат основой, из которой, как следствие, выведены закон Р. Линдемана и правила 1 и 10 %. Потери энергии на процессы жизнедеятельности, потери неиспользованного первичного продукта и недоступного для использования тепла приводят к тому, что только примерно 10 % биомассы с одного уровня трофической цепи служит для прироста биомассы на более высоком уровне. Невозможно потреблять массы и энергии из окружающей среды больше, некого минимального значения, не разрушающего среду, не попав в кризис. Непрерывного роста потребления быть не может! Правило, очевидное для трофических цепей биологических видов (волки-зайцы, треска-селёдка, саранча-посевы...), справедливо и для системы биосфера-человечество.

С новых позиций, развиваемых в настоящей работе, законы сохранения энергии должны быть интерпретированы как законы сохранения импульса вращательного движения между средой ДУХ и материальными частицами. Определив само понятие энергии и её отличие от массы, поняв, как она возникает и как передаётся и чем отличаются разные виды энергии, можно объяснить, почему действует закон сохранения энергии, почему не может быть полностью передана энергия одного вида в другой, а также когда и при каких условиях можно получить КПД материальных систем более 100 %.

Правило Ле Шателье - Брауна, известное из законов химического равновесия, тоже является общеприродным:

• Ø «При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия».

Очевидность этого правила также следует из законов сохранения энергии. Любая устойчивая природная система должна характеризоваться минимумом энергии. Так возбуждённое атомное ядро обязательно отдаст избыток энергии и перейдёт в устойчивое, стабильное. В химических реакциях процессы идут самопроизвольно с выделением энергии. Поэтому нарушение этого принципа в природных системах является свидетельством выхода системы из состояния устойчивости и о нарушении процессов самоподдержания системы. Таково современное состояние биосферы Земли, о чём свидетельствует бурное развитие изменений во множестве живых и неживых систем. Равновесие в биосфере нарушено, и на каком уровне будет найдено Природой новое состояние устойчивого равновесия остаётся загадкой. Но и тут законы макроэкологии подсказывают возможные направления изменений, возможные смены видов при бифуркации биосферы.

Следующая группа законов свидетельствуют, что Природа стремится экономить энергию.

• Ø Закон минимума рассеивания энергии (Л. Онсагер): «При возможности развития процесса в нескольких направлениях реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии или минимум роста энтропии».

Это теорема о соотношении взаимности, доказанная физ-химиком Л. Онсагером (1931) в результате изучения термодинамики неравновесных процессов. В соответствии с этой теоремой кинетические коэффициенты (т.е. коэффициенты, характеризующие скорости протекания процессов и реакций) одновременно происходящих в системе различных процессов взаимосвязаны. Интенсивность перекрёстных процессов переноса массы, теплоты, количества движения, химического потенциала и др. зависит друг от друга (например, перенос теплоты естественно вызывает ускорение процесса диффузии). Все процессы происходят при одновременном изменении энергии, массы, импульсов, химических состояний и т.п.

С новых позиций, разрабатываемых в настоящей работе, минимум потери энергии и минимум роста энтропии есть закономерное следствие взаимодействия ДУХ+материя, выраженное как обмен энтропии на энергию. Сложность перекрёстных физико-химических процессов также может быть объяснена при чётком понимании сущности энергии, когда перенос массы и количества движения, теплота, температура и квантовая энергия являются только разными формами одной сущности.

Энергетическая формулировка закона позволяет обратить внимание на очень большие затраты энергии на своё жизнеобеспечение человечества на планете, которое уже составляет примерно 35 % от энергии, выделяемой биосферой. При этом, по сравнению с первобытным обществом потребление энергии на человека над необходимой для существования биологического вида энергией превышено в десятки раз. Любой вид живых организмов тратит энергию, получаемую с пищей, только на жизненные процессы. Удовлетворение неограниченных желаний представителей человеческого вида имеет эквивалентом пропорционально большое потребление энергии. Если некий миллиардер тратит на некие собственные нужды 1 миллион долларов в день, то это эквивалентно сжиганию им тысячи тонн нефти. Заменив природные сущности некими бумажками, человеческая цивилизация стала уничтожать эти сущности, не задумываясь. Деятельность человеческого вида энергетически чрезвычайно затратна, не соответствует закону Онсагера и другим энергосберегающим законам Природы. Вид Homo sapiens реально превратился в раковую опухоль на теле планеты.

Это подтверждает также экологический закон максимума энергии и информации (Г. и Э. Одум):

• Ø «Система, обеспечивающая наиболее эффективное использование энергии и информации, наиболее жизнеспособна».

Следует обратить внимание на необходимость эффективного использования также и информации. Сейчас нет единого понятия информации. Нет критериев, какая «информация» нужна для деятельности системы. Множество создаваемых баз данных по различным программам, множество размещённых в Интернете сайтов не помогают развитию и могут рассматриваться как информационный шум. Выбор информации и её эффективное использование - это, несомненно, необходимое требование для обеспечения жизнеспособности системы. Известная поговорка «Кто владеет информацией, тот владеет миром!» совершенно справедлива. Только следует уточнить, что это должна быть жизненно необходимая информация, и тогда некий, способный ей воспользоваться природный субъект, может сохранить своё жизненное пространство, улучшить его или, даже, расширить. Возвращаясь к теме цивилизационного кризиса, рассмотренной в главе 1.1., можно ещё раз подчеркнуть, что с учётом представленных экологических законов Природы для такого субъекта как Россия жизненно необходимо максимальное сохранение всего своего жизненного пространства, включая его ресурсы. Когда шлюпок на тонущем корабле не хватает, спасать следует в первую очередь не миллионеров, а женщин и детей. Россия должна спасать, прежде всего, «российскую нацию» (такая не научная трактовка множества наций России, многократно повторенная Президентом, в данном случае, соответствует сути).

Важную роль в выживании систем играет правило максимизации мощности:

• Ø «Системы с мощной энергетикой, как правило, вытесняют системы с низкой энергетической мощностью».

Выживают более сильные системы по сравнению с конкурирующими системами. Это очевидно. Но это не означает, что, развив мощную энергетику, человеческий вид может победить, «вытеснить» биосферу. Подсистема управляется надсистемой! Человечество, освоившее топоры, плуги, трактора, паровозы и атомные станции вытеснило другие виды живого. Но теперь антропогенная мощность уже в своём росте вступила в соревнование с мощностью нашей надсистемы - биосферы. Это противоречит системным законам, в частности, закону энергетической проводимости. Поэтому миллионы лет назад Природа сбросила со своего тела огромных мощных диназавров и эволюционную победу одержали мелкие млекопитающие.

С экономией энергии в системах связано правило основного обмена:

• Ø «Любая большая динамическая система в стационарном состоянии использует приход энергии, вещества и информации, в основном, для своего самоподдержания и саморазвития».

Смысл этого правила может быть выведен из общих правил существования систем. Любая подсистема, сформировавшись (новый отдел в фирме или цех на заводе) пытается для обеспечения основной функции любой системы - самовыживания усилить внутренние связи, наладить свою жизнедеятельность, и при этом ослабляются внешние связи. Всё для самосохранения! Поэтому энергетические, финансовые или материальные запросы вышестоящей системы будут соблюдаться только во вторую очередь после обеспечения принципа самоподдержания.

Любая система существует в условиях системы более высокого уровня и за её счёт. Это утверждает закон развития системы за счет окружающей ее среды:

• Ø «Любая система может развиваться только за счет использования материальных, энергетических и информационных ресурсов окружающей среды».

Саморазвитие любых систем без потребления энергии, ресурсов, информации невозможно. Для человечества источником потребляемой энергии и всех ресурсов является биосфера. Биосфера существует за счёт потребления энергии Солнца. Солнце, как будет показано, тоже не может быть самозамкнутой системой и непрерывно поглощает галактическое излучение. С другой стороны этот закон может рассматриваться и как следствие закона сохранения энергии, которая не может черпаться «из ниоткуда». Для жизнедеятельности системы нужна энергия, а она может браться только извне. Это «извне» и есть соответствующая надсистема или окружающая среда.

Представленные выше законы макроэкологии могут служить основой для понимания взаимосвязи и взаимодействия систем в Природе. В заключение анализа общесистемных правил на их основе сформулируем коротко основные особенности образования, функционирования и разрушения системных образований.