Энергия, энтропия, энергетика, законы Пригожина

                                                                         (9)

10. 2000г. Александр Владимирович Коганов. Введение меры сложности C математической модели A, как набора чисел, характеризующих ресурсы R_i, потребляемые при реализации математической модели на технических средствах. В случае, если ресурсом является память вычислительных средств, получаем варианты формул энтропии А. Р. Мака и сложности А. Н. Колмогорова.

                                                             (10)

     Энтропия  вводится, как сложность множества  состояний модели.

                                                                        (11)

     Информация  измеряется сложностью перестройки  модели, как следствия полученного  сообщения.

                                         ))                             (12)

     1.5 Энергетика

     1.5.1 Понятие энергетики и история ее развития

     Энергетика  – это отрасль промышленности, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Задача энергетики и входящих в нее структур – обеспечение производства энергии путём преобразования первичной энергии топлива во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию.

     Потребление энергии является обязательным условием существования человечества [6]. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни. История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления. Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV в. средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, — оно возросло в 30 раз и достигло в 2001 г. 14,3 Гт у.т/год. Условное топливо — химическая или ядерная энергия топлива, которая переводится в различные виды энергии, и чаще всего через преобразование выделяемого при реакциях тепла тепловыми двигателями. Также ссловным топливом называется топливо, теплота сгорания 1 кг или 1 нм³ которого равна 7000 ккал.

       Человек индустриального общества  потребляет в 100 раз больше  энергии, чем первобытный человек,  и живет в 4 раза дольше.

     В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства [7]. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей. В то же время энергетика — один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов), биосферу (выбросы токсичных веществ) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта). Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности, так как было ясно, каким образом с технической точки зрения можно уменьшить или вообще исключить это воздействие. Так продолжалось до середины 70-х годов прошлого века, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата. Считается, что главной причиной этого изменения является энергетика, причем под энергетикой понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу диоксида углерода (СО₂), который обладает способностью удерживать отраженное Землей солнечное излучение. В результате накопления СО₂ и других многоатомных газов, среди которых наиболее важными являются метан (СН₄) и закись азота (NO₂), происходит разогрев земной атмосферы. Это явление называется парниковым эффектом.

     То  есть, человек сжигает ископаемое топливо, в результате чего происходит потепление климата, которое может окончиться катастрофой. На данный момент существует несколько основных решений этих проблем: сократить эмиссию диоксида углерода, естественно, за счет сокращения объемов потребляемого органического топлива. Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, конечно же, во многом лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера – океан. Корректный анализ проблемы предстоящих изменений климата и их последствий возможен лишь с учетом всех факторов. При этом необходимо внести максимальную ясность в то, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.

     Общепринятая  классификация подразделяет источники  первичной энергии на коммерческие и некоммерческие. Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно  на коммерческих энергоресурсах. Существует целая группа стран: экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия – многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.

     Однако  за последующую четверть века в мировой  энергетике произошли значительные изменения, связанные, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.

     Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, постепенная  стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире.

     1.6 Равновесие в живой природе

     1.6.1 Виды равновесий

     Теоретическая физика определяет несколько видов  равновесия, соответствующих типам  термодинамических систем (ТДС): открытым ТДС – обменивающимся энергией со средой; закрытым ТДС, не обменивающимся энергией со средой и другими системами; адиабатным ТДС, в которых отсутствует  обмен теплотой с другими системами [8]. Из всех выделяемых физиками типов ТДС самоорганизующимися являются лишь открытые системы. В остальных типах систем признаки самоорганизации проявляются лишь постольку, поскольку они (эти системы) представляют собою часть системы «человек-машина», т.е. образование, существование и развитие их направляется человеком. Но одновременно и созидательная деятельность человека находится под влиянием создаваемых им искусственных произведений. Раскрывая суть того или иного природного процесса, познавая пространственно-временную последовательность технологических действий, человек создает различной степени неравновесные со средой условия, в которых формируются динамически равновесные физико-технические, биологические или какие-либо другие системы. Образование их осуществляется вследствие детерминированного порядка действий со стороны человека так же, как и естественным образом происходящие упорядоченные действия приводят к удивительно точной пространственно-временной последовательности событий.

     Понятием  термодинамическое равновесие определяется такое состояние системы, в которое  она самопроизвольно приходит в  течение характерного времени ее развития в условиях изоляции от окружающей среды!

     В данном определении наиболее важным является условие, при котором равновесие устанавливается, и именно оно не учитывается, когда пытаются  интерпретировать, особенно в философских обобщениях, современные социально-экономические процессы (а нередко и физические) с позиций теории структур, далеких от равновесия.

     Имеет место широко распространенный пример. Для объяснения сути процесса самоорганизации – формирования порядка в хаосе – обычно используется эффект появления конвективных ячеек в подогреваемой жидкости, названный по имени автора, давшего физическое описание этого процесса, ячейками Бенара. Утверждается, что в данном явлении наблюдаются два принципиально различающихся состояния. Одно – состояние хаоса, когда температура жидкости в сосуде имеет температуру окружающей среды, т.е. находится в равновесии со средой. При этом движение частиц неупорядоченно, частицы «не видят» друг друга, отсутствуют кооперативные их взаимодействия. Чтобы подчеркнуть, что данное состояние действительно является хаотическим, И.Пригожин вводит в свои рассуждения пример неопределенности пространственно-временного положения помещенного в этот слой жидкости некоего «миниатюрного наблюдателя, которому однородность жидкости не позволяет выработать собственное представление о пространстве… Устойчивость равновесного состояния делает в конечном счете тождественными еще и все моменты времени». Есть также аналогичный пример из геологии. Например, такая же ситуация сложилась бы у «миниатюрного наблюдателя», оказавшегося в слое земли, на участке эквипотенциальной поверхности – плоской горизонтальной равнине, где отсутствует движение продуктов выветривания.

     Второе  состояние: если равновесие указанных  систем постепенно нарушать – за счет нагревания нижнего слоя жидкости (в  первом примере) или создания наклона  поверхности (во втором примере), то, по достижении некоторого фиксированного предела, возникнет коллективизация  частиц и установится согласованность  в их движении. Жидкость структурируется в виде ячеек Бенара, характеризующих режим тепловой конвекции. При этом И.Пригожин особо отмечает направление вращения токов жидкости в ячейках, имеющего случайный характер: в одном эксперименте они вращаются по часовой стрелке, в другом – в обратном направлении.

     Теоретическая интерпретация результатов эксперимента с конвективными ячейками Бенара не так безупречна, как кажется на первый взгляд. Она опирается на положения, которым И.Пригожин придает очень высокую, исключительную важность, что, по существу, определило путь его исследований и само название разрабатывавшейся им теории – «диссипативных структур, далеких от равновесия».

     Полагать, что жидкость в сосуде находится  в статически равновесном состоянии, – это ошибка. Ее физическое состояние  всегда соответствует состоянию  среды и определяется ее упорядоченными действиями. Оно меняется в течение  времени, но меняется не случайным образом, а в соответствии с упорядоченной  по пространству и времени сменой состояний среды. Структура и  режимы всех природных систем «стремятся»  соответствовать изменившимся условиям среды: количественным характеристикам  и формам поступления вещества и  энергии. Если они не соответствуют  тому или иному виду природных систем, то они разрушаются.

     Представим, что эксперименты по изменению состояния  жидкости проводятся на Эвересте, в  условиях низкого атмосферного давления и отрицательной температуры. Проведем два одновременных опыта получения  воды заданного объема и поддержания  ее в стационарном состоянии: один –  при положительной температуре  на грани замерзания, а второй –  при температуре, необходимой для  образования конвективных ячеек. Опираясь на рассуждения И.Пригожина, надо полагать, что жидкость на грани замерзания находится в равновесии, потому что  находящийся в ней «миниатюрный наблюдатель» не может определиться в своем местоположении. Однако совершенно очевидно, что жидкость в обоих  сосудах будет находиться в неравновесном  состоянии, в обоих случаях поддерживаемом за счет контроля потока тепловой энергии. В одном случае, в естественных условиях, состояние системы контролируется средой, в другом – человеком  и средой.

     Точнее, состояние жидкости в том и  другом сосудах надо определять как  динамически равновесное, причем такое, при котором формируется устойчивая при заданных условиях структура, в  одном случае выражающаяся во взаимосогласованной  неподвижности частиц, передаваемой от одной к другой по всей их массе, а в другом – в их согласованном  движении. Надо признать, что и в  том, и другом случаях, говоря словами  И.Пригожина, частицы «видят» друг друга.

     Все мироздание в целом и по частям есть не что иное, как совокупность самоорганизующихся динамически равновесных  систем. А человеческая деятельность во все периоды развития цивилизации есть не что иное, как создание искусственных условий, при которых объективное действие одних и тех же законов материи предполагает и обеспечивает возможность самоорганизации динамически равновесных структур, соответствующих этим условиям – прежде всего, получению новых форм энергии, вещества и информации в достаточном количестве для формирования динамически равновесных целостностей.