Что отражает правило перехода энергии кратко

Обновлено: 04.07.2024

Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова
Основы общей экологии
Учебное пособие. М.: Университетская книга, 2005.

10.4. Энергия в экосистеме. Пищевые цепи

Поток солнечной энергии постоянно протекает через фотоавтотрофные организмы, причем при передаче энергии от одного организма к другому в пищевых цепях происходит ее рассеивание в виде тепла. Из поступающей на Землю энергии Солнца экосистемой усваивается не более 2% (в экспериментальных культурах морских планктонных водорослей удалось достичь уровня фиксации солнечной энергии 3,5%). Большая часть энергии используется на транспирацию, отражается листьями, идет на нагревание атмосферы, воды и почвы (см. 2.2.2).

Последовательность организмов, в которой каждый предыдущий организм служит пищей последующему, называется пищевой цепью. Каждое звено такой цепи представляет трофический уровень (растения, фитофаги, хищники I порядка, хищники II порядка и т.д.).

Различают два типа пищевых цепей: пастбищные (автотрофные), в которых в качестве первого звена выступают растения (трава – корова – человек; трава – заяц – лисица; фитопланктон – зоопланктон – окунь – щука и др. ), и детритные (гетеротрофные), в которых первое звено представлено мертвым органическим веществом, которым питается детритофаг (опавший лист – дождевой червь – скворец – сокол).

Количество звеньев в пищевых цепях может быть от одного–двух до пяти–шести. Пищевые цепи в водных экосистемах, как правило, более длинные, чем в наземных.

Поскольку большинство организмов имеет широкую диету (т.е. может использовать в пищу организмы разных видов), то в реальных экосистемах функционируют не пищевые цепи, а пищевые сети. По этой причине пищевая цепь – это упрощенное выражение трофических отношений в экосистеме.

Эффективность передачи энергии по пищевой цепи зависит от двух показателей:

1. от полноты выедания (доли организмов предшествующего трофического уровня, которые были съедены живыми);

2. от эффективности усвоения энергии (удельной доли энергии, которая перешла на следующий трофический уровень в пересчете на каждую единицу съеденной биомассы).

Полнота выедания и эффективность усвоения энергии возрастают с повышением трофического уровня и меняются в зависимости от типа экосистемы.

Так в лесной экосистеме фитофаги потребляют менее 10% продукции растений (остальное достается детритофагам), а в степи – до 30%. В водных экосистемах выедание фитопланктона растительноядным зоопланктоном еще выше – до 40%. Этим объясняются основные краски Земли на космических снимках: леса зеленые именно потому, что фитофаги съедают мало фитомассы, а океан голубой, оттого что фитофаги выедают достаточно много фитопланктона (Polis, 1999).

Таким образом, в пищевой цепи на каждом следующем трофическом уровне относительное количество передаваемой энергии возрастает, так как одновременно увеличивается и потребление живой биомассы, и ее усвоение (уменьшается доля биомассы, которая возвращается в экосистему с экскрементами).

Поведение энергии подчиняется действию первого и второго законов термодинамики.

1. Что такое энергия?

2. Какое количество солнечной энергии может усвоить экосистема?

3. Что такое пищевая цепь?

4. Что такое трофический уровень?

5. Приведите примеры пастбищных и детритных пищевых цепей.

6. Из какого числа звеньев состоят пищевые цепи в наземных и водных экосистемах?

8. В каких пределах меняется полнота выедания организмов на разных трофических уровнях и в разных экосистемах?

9. Как меняется эффективность усвоения энергии организмами с повышением их трофического уровня?

Один из важнейших постулатов в физике является закон сохранения энергии. Согласно ему, она существует в определённом количестве, при этом её значение неизменное. При выполнении работы происходит превращение энергии из одного вида в другой. При этом она может также передаваться между телами, например, пружина с грузом. Это явление используется во множестве современных технологий. Причём правила преобразования справедливы как для микро, так и макромира.

Фундаментальные принципы

Человека — покормить, простейший механизм —завести, какой-то предмет — поднять и опустить.

Таким образом, о телах или их системах говорят, что если они способны совершить работу, то имеют энергию. Другими словами, характеризуются физической величиной, описывающей способность совершать действие. Обозначать энергию принято латинской буквой E, а измерять в джоулях [Дж]. В системе же СГС (сантиметр-грамм-секунда) за количественную единицу принимают [эрг] или [г * см 2 / с 2 ].

В учёном мире долго велись споры, что же, по сути, представляет собой параметр — субстанцию или только величину. В результате большая часть физиков склонилась к тому, что это просто физическое значение, характеризующее движение или его изменение. Сегодня считается, что энергия — скалярная величина, используемая в качестве меры различных форм работы и взаимодействия материй, а также преобразования субстанции из одной формы в другую.

Пожалуй, важным принципом в природе является закон сохранения энергии. Установлен он был опытным путём. Его смысл заключается в том, что при любой работе в замкнутой системе, происходит взаимопревращение энергии из одной формы в другую. То есть она ниоткуда не берётся и никуда не исчезает, а лишь может преобразовываться.

Ричард Фейнман в 1961 году заявил, что исключений из этого закона не существует, и он абсолютно точен. По существу, это математический принцип, согласно которому есть некоторая численная величина, которая постоянна при любых обстоятельствах.

Это — не описание механизма, а сущность природного явления.

Виды энергии

В природе взаимные превращения энергии определяются способностью тел выполнять тот или иной вид работы. Так как это просто количественная мера, её можно измерить лишь при каком-либо изменении. Вызвать же последнее могут любые процессы, относящиеся к различным отраслям науки. В отличие от материи, о которой можно утверждать, что она существует, энергия — плод человеческого предположения.

В зависимости от природы превращения, различают следующие её виды:

Механический — возникает при перемещении физических тел или частиц, а также при их взаимодействии. Например, вращение, деформирование при сгибании, сжатие, растяжение. Такой вид энергии проявляется при работе механических и технологических машин, ГЭС.
Тепловой — появляется из-за хаотичного движения элементарных носителей или колебаний атомов кристаллической решётки. Например, при сжигании, плавлении, сушки, выпаривании и других многочисленных технологических процессах.
Электрический— проявляется при протекании электрического тока в цепи. Отличается от других видов способностью легко передаваться на большие расстояния с огромной скоростью. Используется в двигателях, радиоэлектронных устройствах. Сегодня способы использования электрических преобразований определяют уровень технического прогресса.
Химический — высвобождается при протекании реакций из-за разрушения межатомных связей. Чаще всего является побочным продуктом.
Магнитный — тесно связан с электрическим. Обусловлен природными свойствами постоянных магнитов и существованием электромагнитного поля. По сути — энергия, проявляющаяся в виде излучения.
Ядерный — высвобождается при распаде изотопов, делении тяжёлых или синтезе лёгких ядер. В природе выделяется в звёздах. Используется для создания оружия и в энергетике. Этот тип содержится в больших количествах в атомах.
Гравитационный — обусловлен взаимным тяготением массивных тел. Характерен для космического пространства. Например, эта энергия тела, поднятого на определённую высоту над поверхностью Земли.

Учёные не исключают возможность существования и других типов. При этом переход энергии из одного вида в другой может происходить как последовательно, так и параллельно.

Например, превращение световой в химическую, механической — в электрическую и тепловую.

Потенциальный и кинетический тип

Чаще всего в физике превращение энергии рассматривают как зависимость между запасённым её значением для работы и набираемой при движении. Так как величина — это способность совершать телом действие, классифицировать её можно не только по форме, но и учитывая изменение положения. В зависимости от этого она может быть двух видов:

Для понимания отличия одного вида от другого лучше всего рассмотреть пример. Пусть есть часы с маятником и гирей. Когда последняя опускается, за счёт работы силы тяжести приводится в действие механизм часов. Значит, поднятая гиря обладает энергией. Если эти часы разместить в космосе, идти они не будут. Всё дело в том, что там груз не имеет веса, так как отсутствует сила, с которой Земля действует на гирю. Следовательно, запасённой энергии у тела не будет. Значит, для примера характерно взаимодействие.

Похожие действия происходят при скручивании пружины, возникновение силы упругости при деформации. Энергия, обусловленная взаимодействием тел или частей одного вещества, носит название потенциальной. Её вычисление зависит от выбранной системы. Значение для тела, поднятого над Землёй, можно определить, как Ep = m*g*h, где:

m — масса;
g — ускорение свободного падения;
h — высота.

Например, когда тело поднимают по наклонной плоскости, ему сообщают потенциал. Фактически это полезная работа. Следует отметить, что Ep зависит, от какого уровня ведётся отсчёт высоты. Но при этом следует учитывать, что работа равна изменению.

Другая ситуация. Пусть нужно забить гвоздь в стену. Чтобы это сделать, нужно отвести инструмент в сторону, а после нанести удар. Другими словами, разогнать молоток. Перед тем как коснуться шляпки гвоздя, инструмент наберёт скорость, которая и позволяет совершить работу по забиванию. Получается, что любое движущееся тело обладает энергией. Называется она кинетической. Её значение зависит от массы тела и скорости. Находится она по формуле: Ek = m * v 2 / 2, где:

Эти 2 вида тесно связаны между собой. При этом очень часто при различных действиях происходит преобразование одного типа в другой. В окружающем мире можно самостоятельно наблюдать, как преобразовывается энергия. Например, при движении любого тела вниз.

Примеры превращения

Поднятая гиря над Землёй обладает каким-то потенциальным значением. Если тело отпустить, она будет уменьшаться. При этом скорость гири по мере движения вниз начнёт увеличиваться. Значит, можно утверждать, что кинетическая энергия будет возрастать. Получается, что уменьшение значения первой сопровождается приростом величины второй.

Правда, для этого должны выполняться некоторые условия. Например, эту гирю можно спустить с наклонной плоскости. В этом случае будет присутствовать трение. В результате движение может быть равномерным. Так как тело опускается, его потенциальная величина снижается, но из-за того, что нет разгона, кинетическое значение не изменяется, поэтому в этом случае энергия преобразовываться не будет.

Если тело захотеть подбросить, ему нужно сообщить Ek за счёт работы бросающего. Но в какой-то момент кинетическое значение, которым обладает тело, станет равным нулю, и оно остановится.

Зато в этот момент потенциальная работа достигнет наибольшей величины.

Таким образом, можно утверждать, что если в системе отсутствует трение, превращаться энергия из одного вида в другой будет симметрично: насколько уменьшается одна, на столько же произойдёт приращение другой. Значит, их сумма будет постоянной величиной. Называется она внутренней энергией.

Высота становится меньше, и потенциал уменьшается. В самой нижней точке он будет равняться нулю. Зато Ek наберёт своё максимальное значение. Но тела обладают свойством инерции, и шар начнёт снова подниматься. Сопротивление воздуха — ничтожно малая величина, поэтому тело займёт ту же самую высоту, но с противоположной стороны. Его потенциал опять вырастет, поэтому можно сказать, что какие превращения энергии бы не проходили, мерой преобразования будет работа.

В качестве яркого примера перехода можно описать работу бытового нагревателя. Электрическая энергия поступает на спираль, которая оказывает сопротивление току. В результате происходит превращение электричества в свет и тепло.

По словам Ю.Одума, “экология, по сути дела, изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы”.

Жизнь возникает и развивается в потоке энергии, которая частично аккумулируется в круговоротах веществ. В предыдущем разделе были рассмотрены глобальные круговороты веществ, охватывающие всю биосферу в целом. Кроме того, существуют и малые круговороты, характерные для отдельных экосистем. В любом многоклеточном организме также можно выделить несколько круговоротов, необходимых для жизнедеятельности веществ, аналогичных биогеохимическим циклам биосферы. То есть внутрисистемный круговорот веществ - это и есть способ аккумуляции энергии в системе.

Движение энергии в биосфере существенно отличается от движения вещества. Поток энергии направлен всегда в одну сторону, круговорот энергии невозможен. Живое вещество увеличивает качество части энергии, аккумулируя ее в своих структурах. Но большая часть энергии, проходя через биосферу, деградирует и покидает планету в виде низкокачественной тепловой энергии. Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.

Принципиальная невозможность утилизации тепловой энергии наряду с прогрессирующим ростом количества энергии, высвобождаемого человеком непосредственно на планете (сжигание топлива, расщепление ядра, ядерный синтез и т.п.) есть один из важнейших факторов глобального экологического кризиса.

1.7.1. Основные закономерности движения энергии

Понятие энергии определяется как способность совершать работу. Впервые наиболее полно понятие энергии было исследовано в термодинамике, что отражено в формулировке двух основополагающих законов, описывающих свойства энергии:

1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) - энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создается заново;

2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) - все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние. Потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности 100 %-го перехода одного вида энергии в другой.

Энтропия, или дословно “способность к превращению”, есть величина, определяющая качество и концентрацию энергии S=Q/T.

1.7.2. Физический смысл энтропии

Известно, что во всех естественных процессах теплообмена тепло передается только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда наоборот (невозможно смешать в одном объеме горячую воду и холодную, а затем разделить в разные объемы получившуюся в результате смешивания теплую воду снова на горячую и холодную).

|dS₁| Т₂) и энтропией S₂=Q₂/T₂ некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились значительно, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS₁=dQ/T₁ (здесь dQ 0, следовательно, dS₂>0), причем так как Т₁>Т₂, то по абсолютной величине |dS1| S₁+S₂, то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает (рис. 1.19).

Это и есть формулировка второго закона термодинамики. То есть энтропия - это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и вообще любых процессов преобразования энергии.

В более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Так тепловая энергия с большей температурой обладает меньшей энтропией S=Q/T, то есть большим качеством, чем такое же количество тепла при меньшей температуре. Поэтому по мере понижения температуры рабочего тела, например, пара, до температуры окружающей среды можно попутно превратить часть тепловой энергии в механическую работу (тепловая машина).

Чем больше качество энергии, то есть, чем больше превышение температуры пара над температурой окружающей среды, тем большее количество работы можно получить. Разные виды энергии обладают разным качеством.

1.7.3. Процессы преобразования энергии в живых организмах

Вывод энтропии из организма есть непременное условие его существования. Все процессы жизнедеятельности сопровождаются ростом внутренней энтропии организма DSi>0. Чтобы не погибнуть, клетка должна потребить из окружающей среды отрицательную энтропию DSe Т₂) и энтропией S₂=Q₂/T₂ некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились значительно, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS₁=dQ/T₁ (здесь dQ 0, следовательно, dS₂>0), причем так как Т₁>Т₂, то по абсолютной величине |dS1| S₁+S₂, то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает (рис. 1.19).

1.7.3. Процессы преобразования энергии в живых организмах

Мы уже рассматривали явления превращения энергии, когда говорили о внутренней энергии тела.

Внутренняя энергия определяется кинетической энергией всех его молекул, из которых состоит тело, и потенциальной энергией их взаимодействия.

В данном уроке мы более подробно рассмотрим известные нам виды энергии. Вы увидите, как энергия сохраняется в механических и тепловых процессах, переходит от одного тела к другому.

Закон сохранения механической энергии

Когда мы подбрасываем вверх мяч, мы сообщаем ему энергию движения — кинетическую энергию. Мяч поднимается до какой-то высоты, останавливается и начинает падать (рисунок 1).

В точке начала движения кинетическая энергия достигает своего максимума, а потенциальная энергия равна нулю
Во время движения мяча вверх кинетическая энергия постепенно превращается в потенциальную. Кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная — увеличивается
В точке максимального подъема вся кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную
Во время движения мяча вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия постепенно превращается в кинетическую.

При всех вышеописанных превращениях полная механическая энергия не изменяется.

Полная механическая энергия тела — это сумма его потенциальной и кинетической энергий:
$E = E_к + E_п$

Закон сохранения механической энергии:
полная механическая энергия тела остается постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения;
$E = const$.

Превращения механической и внутренней энергий

Проведем простой эксперимент. Возьмем резиновый шарик, поднимем его на определенную высоту над столом и отпустим.

Он отскакивает от стола, но с каждым разом поднимается на меньшую высоту. Это происходит до тех пор, пока он не остановится. Мы не можем сказать, что его полная механическая энергия оставалась постоянной.

Почему? На шарик действовали силы трения. При этом часть его механической энергии каждый раз переходила во внутреннюю энергию, пока не не перешла полностью.

Но далеко не все тела будут отскакивать от поверхности. Когда мы говорили с вами о внутренней энергии тела, был рассмотрен показательный опыт с падением свинцового шарика на свинцовую доску. Его механическая энергия при падении полностью перешла во внутреннюю энергию.

Таких примеров можно привести множество. Но даже сейчас мы уже можем сделать вывод:

механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.

Это легко пронаблюдать на тепловых процессах. Например, при теплопроводности энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

В технике часто можно наблюдать превращение внутренней энергии в механическую. Например, внутренняя энергия топлива при его сгорании в двигателе машины превращается в механическую энергию движения.

Закон сохранения и превращения энергии

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется.

Вспомните задачу (№2) из урока Расчет количества теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении. В ней мы смешивали холодную и горячую воду. Если не допустить перехода теплоты к другим телам, то мы получаем, что количество теплоты, отданное горячей водой, равняется количеству теплоту, полученному холодной водой.

Одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии:

Во всех явлениях, которые происходят в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

Отметим, что полностью внутреннюю энергию нельзя превратить в механическую.

Примеры сохранения и превращения энергии

Энергия не берется из ниоткуда. У тела не может появиться какая-то энергия, если оно не получило ее от другого тела.

Солнце — огромный источник энергии для Земли. Солнечные лучи нагревают ее поверхность — их энергия превращается во внутреннюю энергию почв. Воздух, нагреваясь от земной поверхности приходит в движение и появляется ветер. Так внутренняя энергия воздушных масс переходит в механическую энергию.

Солнечные лучи поглощаются листьями растений. Это способствует течению сложных химических реакций (рисунок 2). Здесь энергия солнечных лучей переходит в химическую энергию.

В наше время активно используется солнечная энергия для использования в быту и технике. В местностях, где большое количество солнечных дней в году, излучение Солнца используют для нагревания воды, получения водяного пара. Солнечные батареи — пример преобразования энергии солнечных лучей в электроэнергию.

Другой источник энергии на Земле — атомная энергия. Атомные электростанции (АЭС) позволяют превратить эту энергию в электрическую для дальнейшего использования человеком.

Читайте также: