Эксергия- это максимальная работа, которую соверша­ет термодинамическая система при переходе из данно­го состояния в состояние физического равновесия с окру­жающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью от­личия какого-то параметра системы (температуры, давления и др.) от его значения в окружающей среде.

Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Темпе­ратура есть мера концентрации теплоты и средней скорости движения атомов и молекул в данный момент. Например, общее количество теплоты в океане огромно, но концентрация его низкая и средняя температура воды невысока. А чашка горячего чая обладает небольшим количеством теплоты, но концентрация ее высокая и температура тоже высока.

Если количество энергии Q имеет высокую температуру Т_ъ, а температура окружающей среды Т₀ меньше Т_ъ, то система совер­шает работу А₁ = Q [Т _в- Т₀)/Т _в. Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Т_н < Т_ъ, то при условии Т_н > Т₀ система выполнит работу А₇ = Q [Г_н - T_Q)/T_H. Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией И,, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии А^, так как при одном и том же количестве энергии О эксергия ее в первом случае больше.

Безразмерная величина (Т_ъ - Т₀)/Т_ъ или {Т_и - Т₀)/Т_и может характеризовать эксергию, или качество энергии Q. Она выра-

Глава 3. Энергия в экосистемах

жается в долях (меняется от 0 до 1) или процентах (от 0 до 100 %). При Т_ъ = T_Q или Т_н = T_Q не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, величина [Т- Т₀)/Т будет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100 %).

Энергия высокого качества характеризуется высокой эксер­гией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией. Носителями таких форм энергии являются: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, сконцентриро­ванная солнечная энергия, ядра урана-235, высокотемператур­ное тепло.

Энергия низкого качества характеризуется низкой эксер­гией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропи­ей. Носителем такой энергии является низкотемпературное теп­ло, находящееся в окружающем воздухе, в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла в Ат­лантическом океане больше количества энергии во всех нефтя­ных месторождениях Саудовской Аравии. Но океаническое теп­ло настолько рассеяно, что его нельзя практически использовать для полезной работы, так же как и тепло, рассеянное в воздухе.

Для создания энергии более высокого качества необхо­димы затраты энергии более низкого качества. Поток солнеч­ной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в экосистемах, образует порядок и повышает эксергию преобразованной части •нергии.

В природе показателем качества энергии может слу­жить количество калорий солнечного света, которое дол­жно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений сопро-вождается уменьшением количества и повышением качества акку­мулированной на каждом этапе энергии (рис. 3.4, 3.5).

Глава 3. Энергия в экосистемах

Глава 3. Энергия в экосистемах

Рис. 3.4. Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Опуму, 1986, с изменениями)

Рис. 3.5. Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного живот­ного и в 100 раз меньше, чем для образования 1 ккал биомас­сы хищника. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений (рис. 3.4). Рабочий потенциал электричес- кой энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 3.5).

Показанные на рис. 3.4 и 3.5 схемы, конечно, условны. Многие исследователи пытались рассчитать количество энергии, аккумулированной на каждом этапе пищевой цепи, в реальных

экологических системах. Приведем некоторые данные для раз­ных экосистем (рис. 3.6): поля люцерны (Ю. Одум, 1975), реки в Африке (В. Klimuszko, 1995), озеро Каюга в США (П. Рейвн и др., 1990), горячего источника Сильвер-Спрингс в шт. Флори­да (Ф. Дре, 1976).

Рис. 3.6. Изменения количества и качества энергии в природных экосистемах на разных трофических уровнях («а» меняется от 1 до 9)

На рис. 3.6 видно, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травоядных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии возрастает на 1-2 порядка. В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройден­ного ею от Солнца до конечного потребителя.

Глава 3. Энергия в экосистемах

Глава 3. Энергия в экосистемах

В табл. 3.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива (уголь, нефть, газ).

Таблица 3.1

Затраты энергии разного вида на получение 1 ккал условного топлива (по Г. Одуму, Э. Одум, 1978)

Источник энергии	Затраты энергии на получение 1 ккап условного топлива, ккал	Эквивалент условного топлива на 1 ккал
Рассеянная
тепловая энергия	10 000	0,0001
Солнечный свет	2 000	0,0005
Биомасса растений		0,05
Древесина		0,5
Каменный уголь, нефть 1	0,25
Электроэнергия

Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнеч­ный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его каче­ство в 2000 раз. Люди не смогут перевести автомобили и другие механизмы на солнечную энергию до тех пор, пока не найдут дешевого способа повышать ее качество.

Второй закон термодинамики подразумевает также, что практи­чески невозможно восстановить или повторно использовать высоко­качественную энергию для выполнения полезной работы.

3.2. Потоки энергии В естественных природных экосистемах в пищевых цепях не существует отходов. Все организмы,

живые или мертвые, являются пищей для других организмов: листву поедает гусеница, гусеницу съедает дрозд, дрозд становится жертвой совы, сова - ястреба и т. д. Когда листья, гусеницы, дрозды и совы умирают, они перерабатываются редуцентами, возвращающими минеральные вещества растениям.

Перенос энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пище­вой, или трофической цепью.

Трофические цепи - это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, че­рез живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпера­турной тепловой энергии.

Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищ­ные И детрИТНЫе (лат. detrytys - продукт распада).

Пастбищная цепь простирается от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).

Детритная цепь начинается с мертвого органического вещест­ва - детрита, который разрушается детритофагами (лат. phagos -пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается ра­ботой редуцентов, минерализующих органические остатки.

Все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.

При каждом очередном переносе большая часть (80 - 90 %) потенциальной энергии пищи рассеивается, переходя в теплоту.

Дата добавления: 2015-07-20