Чтение онлайн

Материальный баланс будет иметь вид

М 2+ М 4+ М 5— (М 3+ М 6) = М 0.

Это уравнение показывает: все, что получает растение (М 2+ М 4+ М 5) за определенный отрезок времени, за вычетом того, что оно отдает (M 3+ M 6) идет на приращение М 0его массы, связанное с ростом. Аналогичное уравнение получится и для энергии:

W 1+ W 2+ W 4+ W 5— (W 3+ W 6) = W 0.

Здесь W 0— прирост внутренней энергии растения, определяемый увеличением его массы при росте.

Чтобы установить, нарушает эта система второй закон термодинамики или нет, нужно проверить, что происходит с энтропией в процессе жизнедеятельности растения: увеличивается она или уменьшается?

Очевидно, что живая ткань растения более высоко структурно организована, чем поступающие из воздуха питательные вещества. Поэтому при образовании такой ткани (с массой M 0) ее энтропия будет несомненно меньше, чем суммарная энтропия исходных веществ (СО 2, H 2O) и питательных веществ почвы). В этом смысле образование и накопление живой ткани растения и поддержание ее существования будет, несомненно, антиэнтропийным процессом. Но никак нельзя забывать, что одновременно неизбежно меняется энтропия потоков вещества и энергии, проходящих через контрольную поверхность. Здесь получается обратная картина (рис. 4.3): суммарная энтропия выходящих потоков (3 и 6) неизбежно оказывается много большей, чем входящих (7, 2, 4 и 5). Это объясняется тем, что энтропия поглощаемого солнечного излучения [60] сравнительно невелика, так же как и поступающих из почвы минеральных солей; энтропии газов — кислорода и СО 2— близки по значениям. Зато энтропия водяного пара, отдаваемого листьями, относительно велика (примерно в 3 раза больше, чем у воды). В результате энтропия потоков, проходящих через контрольную поверхность, возрастает намного больше, чем снижается энтропия веществ, превращающихся в органическую ткань.

Если первую величину — прирост энтропии — обозначить через S', а вторую (уменьшение энтропии) — через S'', то оказывается, что всегда S' >> S''.

Следовательно, в целом энтропия неизбежно возрастает на величину

S = S' — S'' >> 0.

Другими словами, растения только потому могут расти антиэнтропийно, что «сбрасывают» избыток энтропии в окружающую среду; при этом прирост энтропии в ней намного больше,чем снижение ее в самом растении. Поэтому все рассуждения об «антиэнтропийной природе растительной жизни», о «нарушении второго закона термодинамики» совершенно неверны. Они основаны на неполном учете всех величин, определяющих общее изменение энтропии, подмене точного анализа и расчета общими рассуждениями.

Если взять другую часть органического мира — животных, то здесь наблюдается та же картина. Животные, питаясь растениями (или другими животными), а также поглощая воду и кислород воздуха, выделяют СО 2, теплоту и продукты, получаемые в результате переваривания пищи. Энтропия всего того, что выделяется, намного больше энтропии того, что поглощается. В результате уменьшение энтропии, происходящее как при образовании новых органических тканей и отмирании старых, оказывается намного меньше, чем общий прирост энтропии. Животные тоже «сбрасывают» излишнюю энтропию в окружающую среду, развивая или поддерживая таким путем свою внутреннюю высокоорганизованную малоэнтропийную структуру. В целом энтропия опять неизбежно растет. Очень наглядно проиллюстрировал это положение Э. Шредингер, о котором мы уже упоминали. Он писал так: «Энтропия кошки уменьшается за счет того, что возрастает энтропия системы «кошка + мышь»; т. е. то, что получается из мыши после того, как кошка ее съест и переварит, имеет значительно большую энтропию, чем мышь».

Таким образом и с другой, биологической стороны опровергнуть второй закон тоже не удается. Остается еще одна, последняя возможность — создать техническое устройство (или найти готовое), которое действовало бы вопреки второму закону термодинамики. Лучше всего, конечно, было бы, если бы такая система была двигателем и производила работу; но это в конце концов необязательно. Для доказательства достаточно только указать любую систему такого рода, поскольку возможность ее, существования однозначно определяет и возможность создания действующего ppm-2. В последнем параграфе этой главы мы рассмотрим одно такое устройство — тепловой насос, принцип действия которого уже обсуждался на стр. 125. По мнению многих сторонников «энергетической инверсии», он своей работой наилучшим образом опровергает второй закон термодинамики.

Прежде чем приступить к разбору теплового насоса, полезно проделать небольшую работу по ознакомлению с одним термодинамическим методом, который позволяет просто и наглядно определять, может ли работать любое предложенное устройство с точки зрения второго закона термодинамики, и если может, то какова его термодинамическая эффективность. Это не только очень удобно для анализа теплового насоса, но и позволит дополнительно рассмотреть роль второго начала термодинамики в биологии.

Энтропия — основная величина, определяющая возможность (или невозможность) протекания процессов в любых системах преобразования вещества и энергии с позиций второго закона термодинамики. Суммарная энтропия неизменна или растет — процесс возможен; уменьшается — невозможен. В рассмотренных выше случаях мы успешно пользовались именно этим фундаментальным свойством энтропии для того, чтобы определить, что может быть в энергетических превращениях и чего быть не может.Однако не только этим свойством определяются возможности практического использования энтропии. Она может помочь в решении другой, не менее важной задачи — определить качествоэнергетических превращений (а следовательно, и любых устройств, в которых они производятся).

Когда говорят об энергосберегающей технологии, об уменьшении потерь энергии, то речь по существу идет не об энергии в количественном смысле.Нужно четко понимать, что в количественном отношении энергию сберегать не нужно,об этом автоматически заботится первый закон термодинамики — закон сохранения энергии. Любое техническое устройство (да и вообще все на свете, что живет и движется) действует всегда так, что энергия сохраняется: сколько ее входит, столько неизбежно и выходит; она никогда не теряется. Поэтому сбережение энергии — это по существу сбережение ее качества.Именно об этой качественной стороне энергии писал Энгельс в «Диалектике природы». Любая технология и технические устройства, в которых она осуществляется, тем совершеннее, чем меньше будет возрастать энтропия в результате их функционирования, т. е. чем меньше будет «портиться» энергия.

Поясним это на простом примере — тепловой электростанции. В ней протекает целая цепочка энергетических превращений. Сначала химическая энергия топлива и окислителя (кислорода воздуха) превращается во внутреннюю энергию раскаленных продуктов сгорания; затем эта энергия в форме теплоты передается воде и превращается во внутреннюю энергию пара. В свою очередь энергия пара в турбине превращается в механическую, а та — уже в электрическую. Часть внутренней энергии пара отводится из конденсатора охлаждающей водой и выбрасывается в окружающую среду. В целом вся эта последовательность укладывается в вариант 4схемы энергетических превращений на рис. 3.7. Часть энергии (от 35 до 40%) преобразуется в полностью упорядоченную, безэнтропийную электроэнергию, зато другая, большая ее часть, низкокачественная, с повышенной энтропией, сбрасывается в окружающую среду. Совершенно очевидно, что чем больше возрастание энтропии на каждом этапе энергетических превращений (т. е. чем хуже они организованы), тем больше будет и суммарный рост энтропии. А это неизбежно приведет к уменьшению безэнтропийной доли энергии на выходе (т. е. электроэнергии) и увеличению доли сбрасываемой высокоэнтропийной теплоты. В электроэнергию перейдет не 35-40% исходной химической энергии, а меньше — 30, 25% и т. д. То же самое будет и в любой другой технической системе, что бы она ни производила — теплоту, холод, каучук или металл…

Чем менее совершенны технологические процессы и соответствующее им оборудование, тем больше рост энтропии и тем меньше целевых продуктов будет получено при той же затрате энергии. Таким образом, экономия энергоресурсов всегда сводится в конечном счете к сохранению качестваэнергии, к борьбе против роста энтропии.

Однако при всех достоинствах энтропии (и как критерия возможности осуществления процессов, и как меры, характеризующей качество энергетических превращений в них) ее непосредственно использовать для анализа энергетических превращений нельзя. Это объясняется тем, что энтропия и ее изменения не показывают непосредственноколичества энергии — как того, которым мы в каждом случае можем располагать и которое можем полезно использовать, так и того, которое теряется бесполезно. Конечно, можно их найти, зная энтропию, но каждый раз для этого нужен специальный расчет с привлечением дополнительной информации. Чтобы иметь эти количества сразу и одновременно определять, нарушается второй закон или нет, было изобретено специальное термодинамическое понятие — эксергия[1.18-1.19] [61] . В чем ее смысл?

Мы уже видели, что любая упорядоченная энергия (с энтропией S = 0,рис. 3.7) может быть всегда полностью переведена в любой другой вид энергии; напротив, если энергия в той или иной степени неупорядочена (S > 0), то на ее способность к превращениям второй закон налагает определенное ограничение. Чем больше эта энтропия, тем энергия менее качественна и тем меньше высококачественной (безэнтропийной) энергии (например, работы или электроэнергии) она в данных условиях может дать. Это означает, что безэнтропийная энергия может служить как бы эталоном, общей мерой качества, работоспособности любого вида энергии. Она и была названа эксергией. В такой общей мере (эксергии), конечно, «спрятана» внутри энтропия как некая базовая величина; это необходимо, но недостаточно. Кроме нее в эксергию неизбежно должны входить и другие величины, характеризующие как энергию, так и ту окружающую среду, в которой энергия используется.