Современное состояние биосферы и экологическая политика

Это возможно выяснить с помощью второго закона, который устанавливает критерий, отражающий одностороннюю направленность необратимых процессов независимо от их конкретной природы. Колебание маятника является обратимым процессом, потому что, если бы отсутствовали силы трения и другие тормозящие его движение факторы, он мог бы колебаться неограниченно долго. При падении тела с определенной высоты происходит переход его потенциальной энергии в кинетическую. При ударе последний вид энергии переходит в тепло. Обратный (самопроизвольный) подъем тела на заданную высоту невозможен, а поэтому этот процесс является необратимым.

Суть второго закона термодинамики заключается еще в том, что, поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, то эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда меньше 100 %.

Так, из примера, приведенного Ю. Одумом, следует, что количество концентрированной энергии (сахара) листа дуба всегда будет меньше рассеянной ее части (2,98). Термодинамической величиной, устанавливающей меру деградации энергии, является энтропия. Ее изменение (dS) определяется суммарным значением поглощенных системой приведенных теплот dQ/T – где dQи T – соответственно, количество тепла, производимого в обратимом изотермическом процессе, и абсолютная температура, при которой протекал этот процесс.

Самый важный вывод термодинамики заключается в том, что внутренняя энергия системы (dU) равна сумме свободной энергии (часть внутренней энергии, используемой для совершения работы) и связанной энергии (T dS). Связанная энергия является деградированной. Она не используется системой и бесполезно рассеивается в виде тепла. Если брать не приращения, а абсолютные величины, то второй закон имеет следующий вид:

U = F + TS. (7)

В формуле (7) U, F, TS – внутренняя, свободная и связанная энергии. И еще важное следствие было установлено термодинамикой: «все процессы в природе протекают в направлении уменьшения свободной энергии и увеличения энтропии» (Губанов и др., 1978, с. 53–54).

Если в природной системе сформированы условия появления градиентов (перепады давления, разность в солености водных масс или неравномерного нагрева тела и т. д.), то такая система способна совершить работу. Она заключается в передаче тепла от более нагретого тела к холодному, возникновении движения воздушных и водных масс и др. Но при выравнивании градиентов, все наблюдаемые процессы прекратятся, энтропия системы достигнет максимума и она разрушится. Живые системы характеризуются наличием огромного числа градиентов, которые поддерживаются в течение длительного времени. С точки зрения классической термодинамики такое положение невозможно (жизнь в этом смысле является невероятным состоянием). Смерть живого организма, разрушение экосистемы и т. д. может означать приближение биосистем к их термодинамическому равновесию.

Так что же – второй закон термодинамики неприменим к живым системам?

Оказывается, что все недоразумения снимаются, если их рассматривать не как изолированные, или закрытые, а как открытые системы. Следует отметить, что теория открытых систем была разработана И. Пригожиным и другими учеными.

Открытыми системами называются все живые организмы, которые способны обмениваться с окружающей средой веществом и энергией. Из этого определения вытекает фундаментальное свойство живых систем. Оказывается, что они обладают двумя видами свободной энергии (обозначим как dE) и энтропии dЭ): dF и dS – это изменение свободной энергии и энтропии, протекающих за счет процессов жизнедеятельности внутри организма (как и в классической термодинамике), и df и ds – изменение свободной энергии и энтропии, обусловленное взаимодействием с окружающей средой:

dE = dF + df, (8)

dЭ = dS + ds.