Второй закон термодинамики, направление естественных процессов, энергосбережение и эволюционное усложнение биоценозов

Второе начало термодинамики является результатом обобщения большого числа наблюдений и представляет собой один из фундаментальных законов природы. Одна из формулировок заключается в том, что тепло само по себе не может переходить от менее нагретого тела к более нагретому. В обратном направлении, естественно, такой процесс идет самопроизвольно. Другая формулировка закона гласит, что любое действие, связанное с преобразованием энергии, не может происходить без ее потери в виде рассеянной бесполезной энергии (тепла). Любая система, эволюционирующая в каком-либо определенном направлении, стремится к состоянию, при котором ее физические параметры (Т, Р, С) принимают постоянные значения, а ее энтропия — S (часть энергии, теряемая системой в любом термодинамическом процессе) становится максимальной. Подобные состояния называются конечными, а еще равновесными. На огромном опытном материале можно утверждать, что все процессы в природе и технике стремятся к состоянию равновесия.

Основная часть энергии системы, которая представляет собой используемую энергию и в некотором смысле противоположна энтропии, называется свободной энергией — G. Свободная энергия способна совершать работу в изотермических условиях, что свойственно живым клеткам автои гетеротрофов. С другими энергетическими параметрами свободная энергия связана уравнением.

где AG — изменение свободной энергии в результате обмена между системой и внешней средой; AS — изменение энтропии (мера беспорядка), Т — абсолютная температура в °К.

Следовательно, свободная энергия и энтропия изменяются в противоположных направлениях, но их вариации равны лишь при отсутствии обмена теплом с внешней средой. Общий баланс биотических процессов в достаточно большой системе, конечно, находится в согласии со вторым началом термодинамики.

Все естественные процессы, которые самопроизвольно протекают в природе, требуют для своего обращения той или иной компенсации. Так происходит процесс переноса теплоты от горячего тела к холодному, но для его обращения нужно затратить работу и сообщить соответствующее количество теплоты нагретому телу.

В биосфере в целом, где происходит поглощение тепла системами из внешней среды, уменьшение свободной энергии меньше увеличения энтропии систем. Эта закономерность представляет собой физическое объяснение самопроизвольной тенденции экосистем эволюционировать ко все более сложным и биологически более организованным биоценозам, в которых количество свободной энергии максимально.

В целом при изучении объектов живой природы становится очевидным, что все формы жизни с термодинамической точки зрения неравновесные, а переход к предполагаемому равновесию означает и конец жизни. Нас интересуют не равновесные состояния, а процессы, в которых живые организмы далеки от равновесия (развитие организма), а другие подсистемы (окружающая среда) к нему приближаются. Итогом сочетания таких процессов будет рост энтропии, но одновременно и ее диспропорционирование, не учитываемое началами термодинамики.

Второй закон термодинамики для экологии можно сформулировать и так: любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее рассеивающуюся. Для всех энергетических процессов характерен процесс перехода от более высокого уровня организации (порядка) к более низкому (беспорядку). Тенденция энергии к деградации выражается в возрастании энтропии.

В соответствии со вторым законом термодинамики существует фундаментальный предел количества тепловой энергии, которая может быть преобразована в работу, а следовательно, и в электричество. Обратное положение неверно, т. е. другие формы энергии могут быть полностью превращены в тепло. Этот предел эффективности преобразования тепла в работу долгое время не учитывался изобретателями тепловых двигателей для выработки работы (энергии).

Современная тепловая электростанция, работающая на угле и вырабатывающая пар для последующего преобразования его энергии посредством турбогенератора в электрическую, достигает эффективности (КПД) — 40%; т. е. лишь 40% тепловой энергии, отдаваемой углем при сжигании, преобразуется в электричество. Такова же примерно эффективность тепловых электростанций, работающих на нефти. Традиционные подходы к генерированию электрической энергии не могут обеспечить сколько-нибудь значительного повышения эффективности. Атомные электростанции также дают пар, подаваемый в турбогенераторы, при этом станции имеют эффективность всего 30—32%; таким образом, лишь 30—32% тепловой энергии, выделяющейся при делении урана, преобразуется в электрическую.

Разумеется, попытки повысить эффективность преобразования тепла в электроэнергию должны продолжаться. Так, степень преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах несравнимо высока, современные водород-кислородные топливные элементы имеют КПД до 80%.

Современная цивилизация «проматывает» запасы энергии, накопившиеся в биосфере. Следует стремиться не к сохранению энергии, ибо природа делает это автоматически; наша задача — научиться экономно распоряжаться качеством энергии. Сжигая накопленный с помощью солнечной энергии геологической средой любой энергоноситель (уголь, нефть, газ и т. п.), мы увеличиваем энтропию биосферы, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно и неизбежно сопровождаются тепловым загрязнением окружающей среды — это своего рода «дань» термодинамике.

Таким образом, нынешняя политика «энергосбережения» на самом деле представляется частью глобальной проблемы, сформировавшейся в современном обществе. По большому счету она включает вопросы, касающиеся регулирования глобального энергетического баланса, рационального расходования высококачественных энергетических ресурсов и создания экологически более чистых источников энергии, т. е. уменьшения уровня роста энтропии.

В России экономия энергии становится чуть ли не новой национальной идеей, которую связывают с проблемой национальной энергетической безопасности страны. С 1990;х гг. активно распространяются вымыслы недоученных перебежчиков о том, что наша страна не может конкурировать с Западом как раз из-за энергетических сверхзатрат на промышленные, сельскохозяйственные технологии в условиях сурового климата.

Историческая статистика утверждает, что за последующие 90 лет индустриализации Россия по энергорасточительности оказалась на 10-м месте. Впереди были только страны с очень теплым и теплым климатом. По мнению И. Башмакова, исполнительного директора Центра по эффективному использованию энергии, лауреата Нобелевской премии мира 2007 г. в составе Международной группы специалистов по изменению климата, высокая энергоемкость в России — не проклятие холодного климата, а наследство экстенсивной индустриализации и плановой отраслевой экономики [33]. Именно от него нам еще только предстоит избавляться.

В России около половины вырабатываемой энергии попросту пропадает. Этот потенциал складывается из многих составляющих:

• — «черная дыра» ЖКХ с пережитками плановой экономики (нерентабельное использование топлива, спешное сжигание остатков топлива весной, отсутствие надлежащего контрольно-измерительного сопровождения и т. п.). На ЖКХ приходится потенциальная экономия природного топлива в количестве, равном 1/6 всей добычи нефти в стране;
• — потери в тепловых сетях, которые составляют у нас не менее 20—35%;
• — потери в электрических цепях — 12—30%;
• — старые технологии подготовки топлива, его сжигания;
• — устаревшее оборудование.

Обсуждаются две стратегии выхода из энергетического коллапса. Первая — наращивание добычи нефти и газа, строительство новых источников энергии. Но это очень затратный путь: до 2020 г. он потребует не менее 1 трлн долл.

Вторая стратегия основана на инновационных решениях, способных обеспечить необходимый прогресс. Например, возьмем электростанции, работающие на газе. Их КПД в среднем 37%, а в развитых европейских странах — 50%. В России работают старые газотурбинные установки, они в атмосферу выбрасывают горячие продукты сгорания (фактически тепловую энергию). В Европе используют парогазовые установки. Они позволяют полностью использовать энергию газа: продукты сгорания вращают турбины, а затем нагревают водяной пар. В результате КПД котлов может повыситься до 58%.

Второй путь развития оказывается и менее капиталоемким. Если его внедрять в промышленности, ЖКХ, сфере услуг и т. д., то, по имеющимся расчетам, он обойдется в 3—5 раз дешевле.