Термодинамика необратимых процессов и проблем экологии

Длинноволновое тепловое излучение Земли, уходящее в космос, уносит часть "отходов" в виде приращения энтропии, как неизбежного побочного продукта многих земных процессов естественного и техногенного происхождения. Баланс энергии при этом сохраняется. Главное заключается в том, что солнечная энергия обладает более низкой энтропией (следовательно, более высоким качеством энергии), чем у

ходящее в космос длинноволновое излучение Земли, обладающее более высокой энтропией (следовательно, более низким качеством энергии). Иными словами, Земля получает от Солнца качественную энергию с низкой энтропией, а отдает в космос некачественное излучение с высокой энтропией и, таким образом, "очищается" от избытка энтропии. Последний процесс также важен, как и первый процесс получения качественного солнечного излучения. Эти две стороны пока не вызывают беспокойства: солнечного излучения хватит на миллионы лет, а приращение энтропии во Вселенной за счет поступления избытков энтропии от антропогенной деятельности ничтожно мало. Вопрос в другом. В результате научно-технической революции и научно-технического прогресса нарушается устойчивое равновесие системы "человек - среда". В настоящее время настолько много различных видов загрязнений биосферы, что требуются специальные дополнительные меры для их утилизации. Но с другой стороны, для их утилизации требуется энергия и средства. Это вызывает приращение энтропии в других областях, которые поставляют эту энергию и средства.

Возникает заколдованный круг, одно место очищают, передвигая отходы в другое место, аналогично тому, что дымовая труба строится выше с тем, чтобы продукты выхлопа уносились по возможности дальше, в соседнюю область. Если рассматривать в целом весь Земной шар, то категория "чистое производство", "полная утилизация" при глобальном балансе представляет собой избавление от своих отходов за счет увеличения их суммарного количества на планете. Для выхода из этого порочного круга можно рассмотреть два пути:

лучше и эффективнее использовать солнечное излучение;

найти и ввести новые источники энергии с низкой энтропией.

По первому способу возможно в недалеком будущем в космосе создать приемники солнечного излучения в виде совершенных гелиобатарей и передавать эту энергию на Землю.

По второму способу можно использовать атомную или термоядерную энергию. При этом имеем низкую энтропию процессов высвобождения энергии при превращении атомных ядер. Однако, при всё увеличивающемся росте энергопотребления (например, в 102 раз больше, чем в настоящее время) снова встанет проблема захоронения радиоактивных отходов в огромных количествах и избавления от тепловых загрязнений. Бросовое тепло от атомных станций и других источников энергии вызовет существенный нагрев атмосферы, гидросферы, литосферы, что является серьезной угрозой, нарушающей устойчивое равновесие.

Оценим величину энтропии, применительно к тепловой системе "Земля". Считаем, что падающее солнечное излучение имеет внутреннюю энергию Е1 и температуру Т2 а рассеянное Землей в космос излучение имеет соответственно Е2 и Т2.

В среднем энергия на Земле не накапливается, поэтому с известным приближением можно считать, что Е1=Е2 = Е и энтропия на Земле равна разности энтропии падающего солнечного излучения и рассеянного в космос излучения Земли. Считаем Землю равновесной термодинамической системой типа абсолютно черного тела. Величина энтропии Земли по абсолютной величине будет равна [3, 4]:

(16)

Считая T2 ≈6000 К и T2 ≈300 К, с учетом интенсивности солнечного излучения и геометрических размеров Земли, имеем:

кал∙град-1∙г-1 (17)

Учитывая, что выражение (17) примет вид:

, кал∙град-1 ∙г-1. (18)

Из (18) видно, что чем меньше Т2 т.е. более глубокое охлаждение уходящего излучения от Земли в космос при постоянных количестве и качестве солнечного излучения, тем можно больше добиться большей разности энтропии между качественной солнечной энергией и низкокачественной, рассеянной в космос энергией Земли. При большей деградации энергии Е2 Земли, рассеиваемой в космос в виде более длинноволнового излучения, большее число фотонов будет переносить заданное количества энергии, так как солнечное излучение, падающее с энергией Е1 и частотой v1 имеет N1 квантов, а уходящее в космос с поверхности Земли излучение с энергией Е2 имеет N2 квантов. Учитывая, что E1 = E2 и v1>v2, имеем:

N1hv1 = N2hv2 (19) или (20)

Увеличение числа квантов N2 с частотой v2<v1 обозначает рост энтропии.

Растительный покров Земли дополнительно способствует охлаждению уходящего излучения, т.е. температура Т2 уменьшается, но при этом увеличивается рост энтропии Вселенной. Снова приходим к начальному толкованию. Локально в отдельной упорядоченной подсистеме можно добиться уменьшения энтропии, но для всей системы в целом будет большее пиращение энтропии. Для отдельных термодинамических систем важнейшей характеристикой является производная энтропии по времени: dSi/dt, где Si - внутренняя энтропия системы. Через эту величину можно выражать условия динамического равновесия, эволюционного развития и устойчивого равновесия.

В ходе различных производственных процессов, использования природных ресурсов, распыления материалов в окружающей среде, образования в виде физических, химических и биологических загрязнений энтропия системы "человек - окружающая среда" увеличивается.

11. Энтропия и критерий технического прогресса

Введем понятие энтропии, под которым будем понимать энтропию с обратным знаком, чтобы привести в соответствие повышение качества энергии с ростом негэнтропии. Энтропия же при этом уменьшается с повышением качества энергии.

Одним из объективных факторов оценки развитого общества является потребление энергии на душу населения. Воспользуемся общим подходом, развитом в [3, 4] и связывающим неэнтропию с критерием технического прогресса.

Считаем, что за время Δt обществом использовано ΔЕ1 энергии. Введем критерий К1 который оценивает энергопотребление общества за период Δt:

(21)

Естественно, что критерий K1 (t) характеризует развитие общества только по одному критерию - энергопотреблению.

В развитом обществе коэффициент полезного действия ŋ1 (t)) при использовании энергии будет выше. Тогда критерий технического прогресса K (t) запишем в виде:

(22)

С учетом состояния имеющихся в окружающей природной среде источников энергии E2 (t) за этот период критерий технического прогресса запишем в виде:

 Скачать реферат