Глава 3. Энергия в экосистемах

Следовательно, энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Одинаковое количество энергии может совершать разное количество работы в зависимости от ее качества.

Качество энергии - ее способность совершать работу, т. е.

ее ЭКСерГИЯ (гр. вх - высшая степень, ergon - работа).

Эксергия -это максимальная работа, которую соверша­ет термодинамическая система при переходе из данно­го состояния в состояние физического равновесия с окру­жающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью от­личия какого-то параметра системы (температуры, давления и др.) от его значения в окружающей среде.

Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Темпе­ратура есть мера концентрации теплоты и средней скорости движения атомов и молекул в данный момент. Например, общее количество теплоты в океане огромно, но концентрация его низкая и средняя температура воды невысока. А чашка горячего чая обладает небольшим количеством теплоты, но концентрация ее высокая и температура тоже высока.

Если количество энергии Q имеет высокую температуруТ_ъ, а температура окружающей средыТ₀ меньшеТ_ъ, то система совер­шает работу А₁=Q [Т_в- Т₀)/Т_в. Если то же количество энергииQ имеет низкую температуруТ_н < Т_ъ, то при условииТ_н > Т₀ система выполнит работуА₇ = Q [Г_н - T_Q)/T_H. Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией И,, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергииА^, так как при одном и том же количестве энергииО эксергия ее в первом случае больше.

Безразмерная величина (Т_ъ -Т₀)/Т_ъ или{Т_и - Т₀)/Т_и может характеризовать эксергию, или качество энергииQ. Она выра-

Глава 3. Энергия в экосистемах

жается в долях (меняется от 0 до 1) или процентах (от 0 до 100 %). При Т_ъ =T_Q илиТ_н = T_Q не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, величина[Т- Т₀)/Тбудет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100 %).

Энергия высокого качества характеризуется высокой эксер­гией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией. Носителями таких форм энергииявляются: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, сконцентриро­ванная солнечная энергия, ядра урана-235, высокотемператур­ное тепло.

Энергия низкого качества характеризуется низкой эксер­гией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропи­ей. Носителем такой энергии является низкотемпературное теп­ло, находящееся в окружающем воздухе, в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла в Ат­лантическом океане больше количества энергии во всех нефтя­ных месторождениях Саудовской Аравии. Но океаническое теп­ло настолько рассеяно, что его нельзя практически использовать для полезной работы, так же как и тепло, рассеянное в воздухе.

Для создания энергии более высокого качества необхо­димы затраты энергии более низкого качества. Поток солнеч­ной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в экосистемах, образует порядок и повышает эксергию преобразованной части •нергии.

В природе показателем качества энергии может слу­жить количество калорий солнечного света, которое дол­жно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений сопро-вождается уменьшением количества и повышением качества акку­мулированной на каждом этапе энергии (рис. 3.4, 3.5).

98

99