Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 1
В
частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается
по-разному, в результате возникают теплые и холодные области,
что в свою очередь служит причиной образования воздушных по-
токов, которые, например, могут вращать ветряные двигатели и
выполнять другую работу. Таким образом, «потребленная» энер-
гия на самом деле не расходуется, она только переводится из со-
стояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с ма-
лой возможностью использования.
Если температура какого-либо тела выше температуры окру-
жающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его
температура не сравняется с температурой окружающей среды,
после чего наступает состояние термодинамического равновесия
и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается.
14 . . ¦ . . .¦¦.¦¦¦
Такая система находится в состоянии максимальной энтропии.
Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассмат-
ривается как мера неупорядоченности системы.
Энтропия — фундаментальное понятие термодинамики. Если
молекулярная система обладает энергией Е и имеет N(E) доступ-
ных состояний в пределах от Ело Е + АД то качественной мерой
молекулярного беспорядка в системе будет энтропия S, определяе-
мая выражением:
A.2)
1(Г23 Дж/К).
где А: — постоянная Больцмана A,38
Понятие энтропии как показателя термодинамической иска-
женной энергии имеет большое значение не только в физике, хи-
мии, биологии, но и в экологии для решения проблем, связанных с
изменением состояния окружающей среды. Энтропия показыва-
ет, что тот или иной процесс может происходить в системе с опре-
деленной вероятностью. При этом, если система стремится к рав-
новесному состоянию, энтропия увеличивается и стремится к
максимуму.
С термодинамических позиций энтропию можно выразить
другим соотношением, связывающим теплоту Q и температуру Т.
Если система получает приращение теплоты AQ, то энтропия из-
меняется на AS:
dS =
A.3)
Из A.3) видно, что энтропию можно определить с помощью
измерения теплоты и температуры.
Применяя положения термодинамики к процессу жизнедея-
тельности, можно отметить, что живой организм извлекает энер-
гию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей.
Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, часть
передается организмам последующих пищевых уровней. В начале
этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается
Упорядоченность деградировавших органических и минеральных
веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления
энергии от Солнца.
Само существование биосферы можно рассматривать как ста-
ционарный процесс, реализуемый на фоне грандиозного необра-
тимого процесса охлаждения Солнца. Если возникновение биоло-
гической структуры можно представить двумя стадиями: биосин-
. ¦ ¦ ¦ • ¦ • - ¦¦• -¦¦ •\'¦¦¦¦ ¦•.¦.• .¦ ¦ ¦ 15
тезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой
из них организованной системы, то процесс сборки находится в
значительной степени под термодинамическим контролем, по-
скольку на молекулярном уровне система стремится к состоянию с
наименьшим химическим потенциалом. Самоорганизация и эво-
люция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и
кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтро-
пии в окружающую среду.
Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. При этом
достигающий Земли поток энергии за секунду равен 1,2 • 1017 Вт.
Такое же количество энергии отдается вновь, но при более низкой
температуре. Общая отдача энтропии:
l,210P
dr 3 1,5800 260
Формула A.4) получена на основе статистической физики из-
лучения абсолютно черного тела E800 К — температура излуче-
ния Солнца, 260 К — средняя температура излучения Земли). Из
A.4) следует, что плотность оттока энтропии Js в среднем состав-
Вт
ляет -1 . Эта величина; представляющая верхний предел от-
К-м ;
дачи энтропии Землей, ответственна за биологическое развитие и
эволюцию.
Согласно второму началу термодинамики, энергия любой сис-
темы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому
равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое
состояние живой организм перейдет, если лишить его возможно-
сти извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды.
Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратив-
шая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается
живой природой.
Методы термодинамики применимы только к макроскопиче-
ским системам, состоящим из большого числа частиц. Система,
которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни вещест-
вом, является изолированной (камни, шлаки); если происходит
обмен только энергией, то система называется замкнутой (тепло-
обменники); а если и энергией, и веществами — открытой (био-
объекты). ..j, ,:,х ,.¦,,..
Время жизни
Рис. 1.3. Кинетика жизнедеятельности биообъектов
При применении термодинамики к биологическим системам
необходимо учитывать особенности организации живых систем:
1) биологические системы открыты для потоков вещества и
энергии;
2) процессы в живых системах в конечном счете имеют необра-
тимый характер;
3) живые системы далеки от равновесия;
4) биологические системы гетерофазны и структурированны.
Для описания свойств биологических систем целесообразно
применение термодинамики необратимых процессов, которая
рассматривает ход процессов во времени (основатели — лауреаты
Нобелевской премии по химии Л. Онзегер и И. Пригожий). Фун-
даментальным понятием термодинамики необратимых процессов
является стационарное состояние системы. Процесс жизнедея-
тельности биообъектов сопровождается непрерывно идущими
биологическими процессами, выделяя в определенный период
времени доминирующий (или тот же, измененный по времени)
процесс. Кинетику жизнедеятельности биологических объектов
можно изобразить схемой (рис. 1.3).
Таким образом, процесс жизнедеятельности есть множествен-
ная последовательность различных стационарных состояний, что
обобщенно можно изобразить схемой (рис. 1.4).
Рассмотрим один характерный пример перехода из одного ста-
Ционарного состояния в другое, а именно биологический процесс,
ВЬ1зывающий ощущение боли, связанный с изменением ионного
2-5023 17
Источник
излучения
i
Фотосинтез,
разнообразие
биообъектов
Смерть
Человек
Рис. 1.4. Схема жизнедеятельности человека:
1 — передача излучения, ответственного за биологически активные реакции; 2 — процесс био-
логической эволюции; 3 — параметры, определяющие жизнедеятельность человека (наследст-
венность, экологическая обстановка, образ жизни); 4 — процесс естественного старения (био-
логическая продолжительность жизни человека — 160 лет); 5— гибель в результате заболева-
ния; 6— излучение, сопровождающееся исчезновением части биополя человека, связанного с
жизнедеятельностью; Ш— биологически активные реакции, поддерживающие жизнедеятель-
ность; В—реакции, подавляющие жизнедеятельность
баланса клетки. Если клеточная мембрана проницаема для како-
го-либо иона (обычно она хорошо проницаема для К+, иногда для
С1\"), то на мембране устанавливается равновесный потенциал фр,
определяемый как разность ф2 — ф =ф2-ф =_1п-1, A-5)
р 2 \' ZF С, \'
где const; С, и С2 - концентрации К+ снаружи и внутри
ZF
клетки соответственно. При Т= 310 К экспериментально уста-
новлено среднее значение фр = 60 мВ.
В биологических системах наиболее важными потоками явля-
ются потоки вещества и электрических зарядов. Когда по ка-
ким-либо причинам стационарность потоков нарушается, то есть
нарушается проницаемость мембраны, возникает диодный эф-
фект, при этом изменяется фр, возникает ощущение боли (новое
стационарное состояние). В медицинской практике ряд заболева-
ний, связанных с нарушением стационарности ионного обмена
(радикулит, отложение солей и др.), эффективно лечится электро-
терапевтическими методами.
18 -.-.,,. .im-t
В общем случае основным свойством живых систем является
наличие разности потенциалов на мембранах клеток. Незначи-
тельные изменения потенциала сопровождаются четко выражен-
ными физиологическими изменениями: нервным импульсом,
транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной тка-
ни и др. Длительное нарушение целостности мембраны всегда ве-
дет к патологии, а выравнивание потенциала означает смерть
клетки. Подробнее о термодинамических изменениях в клетке
см.
частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается
по-разному, в результате возникают теплые и холодные области,
что в свою очередь служит причиной образования воздушных по-
токов, которые, например, могут вращать ветряные двигатели и
выполнять другую работу. Таким образом, «потребленная» энер-
гия на самом деле не расходуется, она только переводится из со-
стояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с ма-
лой возможностью использования.
Если температура какого-либо тела выше температуры окру-
жающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его
температура не сравняется с температурой окружающей среды,
после чего наступает состояние термодинамического равновесия
и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается.
14 . . ¦ . . .¦¦.¦¦¦
Такая система находится в состоянии максимальной энтропии.
Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассмат-
ривается как мера неупорядоченности системы.
Энтропия — фундаментальное понятие термодинамики. Если
молекулярная система обладает энергией Е и имеет N(E) доступ-
ных состояний в пределах от Ело Е + АД то качественной мерой
молекулярного беспорядка в системе будет энтропия S, определяе-
мая выражением:
A.2)
1(Г23 Дж/К).
где А: — постоянная Больцмана A,38
Понятие энтропии как показателя термодинамической иска-
женной энергии имеет большое значение не только в физике, хи-
мии, биологии, но и в экологии для решения проблем, связанных с
изменением состояния окружающей среды. Энтропия показыва-
ет, что тот или иной процесс может происходить в системе с опре-
деленной вероятностью. При этом, если система стремится к рав-
новесному состоянию, энтропия увеличивается и стремится к
максимуму.
С термодинамических позиций энтропию можно выразить
другим соотношением, связывающим теплоту Q и температуру Т.
Если система получает приращение теплоты AQ, то энтропия из-
меняется на AS:
dS =
A.3)
Из A.3) видно, что энтропию можно определить с помощью
измерения теплоты и температуры.
Применяя положения термодинамики к процессу жизнедея-
тельности, можно отметить, что живой организм извлекает энер-
гию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей.
Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, часть
передается организмам последующих пищевых уровней. В начале
этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается
Упорядоченность деградировавших органических и минеральных
веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления
энергии от Солнца.
Само существование биосферы можно рассматривать как ста-
ционарный процесс, реализуемый на фоне грандиозного необра-
тимого процесса охлаждения Солнца. Если возникновение биоло-
гической структуры можно представить двумя стадиями: биосин-
. ¦ ¦ ¦ • ¦ • - ¦¦• -¦¦ •\'¦¦¦¦ ¦•.¦.• .¦ ¦ ¦ 15
тезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой
из них организованной системы, то процесс сборки находится в
значительной степени под термодинамическим контролем, по-
скольку на молекулярном уровне система стремится к состоянию с
наименьшим химическим потенциалом. Самоорганизация и эво-
люция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и
кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтро-
пии в окружающую среду.
Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. При этом
достигающий Земли поток энергии за секунду равен 1,2 • 1017 Вт.
Такое же количество энергии отдается вновь, но при более низкой
температуре. Общая отдача энтропии:
l,210P
dr 3 1,5800 260
Формула A.4) получена на основе статистической физики из-
лучения абсолютно черного тела E800 К — температура излуче-
ния Солнца, 260 К — средняя температура излучения Земли). Из
A.4) следует, что плотность оттока энтропии Js в среднем состав-
Вт
ляет -1 . Эта величина; представляющая верхний предел от-
К-м ;
дачи энтропии Землей, ответственна за биологическое развитие и
эволюцию.
Согласно второму началу термодинамики, энергия любой сис-
темы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому
равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое
состояние живой организм перейдет, если лишить его возможно-
сти извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды.
Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратив-
шая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается
живой природой.
Методы термодинамики применимы только к макроскопиче-
ским системам, состоящим из большого числа частиц. Система,
которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни вещест-
вом, является изолированной (камни, шлаки); если происходит
обмен только энергией, то система называется замкнутой (тепло-
обменники); а если и энергией, и веществами — открытой (био-
объекты). ..j, ,:,х ,.¦,,..
Время жизни
Рис. 1.3. Кинетика жизнедеятельности биообъектов
При применении термодинамики к биологическим системам
необходимо учитывать особенности организации живых систем:
1) биологические системы открыты для потоков вещества и
энергии;
2) процессы в живых системах в конечном счете имеют необра-
тимый характер;
3) живые системы далеки от равновесия;
4) биологические системы гетерофазны и структурированны.
Для описания свойств биологических систем целесообразно
применение термодинамики необратимых процессов, которая
рассматривает ход процессов во времени (основатели — лауреаты
Нобелевской премии по химии Л. Онзегер и И. Пригожий). Фун-
даментальным понятием термодинамики необратимых процессов
является стационарное состояние системы. Процесс жизнедея-
тельности биообъектов сопровождается непрерывно идущими
биологическими процессами, выделяя в определенный период
времени доминирующий (или тот же, измененный по времени)
процесс. Кинетику жизнедеятельности биологических объектов
можно изобразить схемой (рис. 1.3).
Таким образом, процесс жизнедеятельности есть множествен-
ная последовательность различных стационарных состояний, что
обобщенно можно изобразить схемой (рис. 1.4).
Рассмотрим один характерный пример перехода из одного ста-
Ционарного состояния в другое, а именно биологический процесс,
ВЬ1зывающий ощущение боли, связанный с изменением ионного
2-5023 17
Источник
излучения
i
Фотосинтез,
разнообразие
биообъектов
Смерть
Человек
Рис. 1.4. Схема жизнедеятельности человека:
1 — передача излучения, ответственного за биологически активные реакции; 2 — процесс био-
логической эволюции; 3 — параметры, определяющие жизнедеятельность человека (наследст-
венность, экологическая обстановка, образ жизни); 4 — процесс естественного старения (био-
логическая продолжительность жизни человека — 160 лет); 5— гибель в результате заболева-
ния; 6— излучение, сопровождающееся исчезновением части биополя человека, связанного с
жизнедеятельностью; Ш— биологически активные реакции, поддерживающие жизнедеятель-
ность; В—реакции, подавляющие жизнедеятельность
баланса клетки. Если клеточная мембрана проницаема для како-
го-либо иона (обычно она хорошо проницаема для К+, иногда для
С1\"), то на мембране устанавливается равновесный потенциал фр,
определяемый как разность ф2 — ф =ф2-ф =_1п-1, A-5)
р 2 \' ZF С, \'
где const; С, и С2 - концентрации К+ снаружи и внутри
ZF
клетки соответственно. При Т= 310 К экспериментально уста-
новлено среднее значение фр = 60 мВ.
В биологических системах наиболее важными потоками явля-
ются потоки вещества и электрических зарядов. Когда по ка-
ким-либо причинам стационарность потоков нарушается, то есть
нарушается проницаемость мембраны, возникает диодный эф-
фект, при этом изменяется фр, возникает ощущение боли (новое
стационарное состояние). В медицинской практике ряд заболева-
ний, связанных с нарушением стационарности ионного обмена
(радикулит, отложение солей и др.), эффективно лечится электро-
терапевтическими методами.
18 -.-.,,. .im-t
В общем случае основным свойством живых систем является
наличие разности потенциалов на мембранах клеток. Незначи-
тельные изменения потенциала сопровождаются четко выражен-
ными физиологическими изменениями: нервным импульсом,
транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной тка-
ни и др. Длительное нарушение целостности мембраны всегда ве-
дет к патологии, а выравнивание потенциала означает смерть
клетки. Подробнее о термодинамических изменениях в клетке
см.
