Екологічне значення першого і другого законів термодинаміки

Відповідно до твердження першого закону збереження енергії, енергія Е певної екосистеми може зрости лише за умови надходження енергії ззовні (у вигляді тепла Q, чи роботи А), а не завдяки її самоутворенню всередині системи (рис. 6.14). Жодна екосистема не може бути самопостачальною в екологічному розумінні цього слова.

Живі організми творять роботу і тепло з енергії, одержаної з екосистеми. Екосистема в термодинамічному розумінні є відкритою системою, яка вбирає тепло із оточуючого середовища. Тому ріст внутрішньої енергії екосистеми зумовлений лише взаємними стосунками живих організмів з оточуючим середовищем і може бути записаний у вигляді рівняння:

Дельта Е=Q + А

де Q – тепло; А – робота.

В ідеальних умовах вартість вільної енергії 1 г маси у першого і другого видів кормового ланцюга була б однакова. Це зумовлено тим, що коли ентальпія є сталою, кормовий ланцюг теж стабільний.

Згідно з першим законом термодинаміки, безумовно, величина енергії має спадати у наступних після себе джерелах ланцюга в лінійному порядку. Цей закон має певні винятки: деякі види входять одночасно до декількох кормових ланцюгів. Вид із багатосторонніми кормовими стосунками має вищий енергетичний потенціал, ніж джерело ланцюга, що розташоване між ним і початковим джерелом енергії Види-сапрофаги вживають мертву органічну речовину із різних джерел, а тому характеризуються значною чисельністю і багатством енергії.

Приплив тепла до екосистеми веде до її потепління. Вільна енергія не зростає і продуктивність праці збільшується внаслідок додаткового тепла, а не через використання вільної енергії. В екосистемах, які мають додатний енергетичний баланс, вільна енергія спонтанно прямує до мінімального стану.

Екосистема не може довго працювати, не одержуючи із зовні додаткової "порції" енергії. Навіть, здавалось би, замкнута самопостачальна екосистема космічного корабля вимагає час од часу енергетичного поповнення своїх відсіків. Яким же чином енергія надходить до зооценозу і яка частка отриманого енергетичного потенціалу?

З першого закону термодинаміки випливає, що кількість використаної енергії залежить лише від початкової і кінцевої стадій потоку, а не від конкретного шляху тих змін. Цей висновок стосується також кормових ланцюгів: зміна енергії певної кількості речовини і потрібний для того час не залежать від довжини кормового ланцюга, а тим більше від кількості його джерел. Теплова продукція системи зумовлює підвищення температури. Отже, зміни у системі є якоюсь термодинамічною сталою, званою ентальпією.

Ентальпія була виведена із правила Гесса і за допомогою змінних U (енергія), р (тиск) і V (об'єм) описана таким чином:

H = U + pV. (6.2)

Як свідчить правило Гесса, теплова продукція є реакцією сталою і незалежною від способу її перебігу. Теплова продукція залежить лише від маси речовини, яка бере участь у реакції (рис. 6.17).

Переміщення енергії в процесі переносу поживи від першого до другого виду в межах часу t0>t1, відповідає продукуванню тепла. Ентальпія всієї маси першого і другого видів підпорядковується в цьому випадку правилу Гесса, яке сформульоване у рівнянні

Як бачимо, внаслідок взаємного впливу системи і її оточення, при переміщенні енергії від однієї системи до іншої з'являється певна кількість тепла. В усіх системах, з яких побудований Всесвіт, включаючи й екосистеми, перебігає безперервна теплова продукція. Згідно з другим законом термодинаміки, тепло, утворене під час енергетичних процесів, є сконцентроване лише частково, а це означає, що лише частина тепла включається в подальший процес, а решта ж розсіюється в середовищі, створюючи стан невпорядкованості, тобто ентропії.

Найважливіша термодинамічна характеристика організмів, екосистем і біосфери в цілому, – підкреслює Ю.Одум (1986), – здатність створювати і утримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості, тобто стану з низькою ентропією. Система має низьку ентропію, якщо в ній відбувається безперервне розсіювання легко використовуваної енергії (наприклад, енергія світла й їжі) і перетворення її в енергію, яка використовується зі значними труднощами (наприклад, в теплову). Впорядкованість екосистеми – це підтримання складної структури біомаси за рахунок дихання всього угруповання, яке немовби відкачує із угруповання невпорядкованість.

Другий закон термодинаміки пов'язаний з принципом стабільності, згідно з яким будь-яка природна замкнута система із потоком енергії, що через неї проходить (озеро, болото, ліс), схильна розвиватися в бік стійкого стану і породжувати саморегулюючі механізми. Коли стійкого стану досягнуто, енергія звичайно переноситься в одному напрямку і з постійною швидкістю, що й відповідає принципу стабільності.