169216 (Термодинамика необратимых процессов и проблем экологии), страница 3

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 v₂1 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: dS_i/dt, где S_i - 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:

(23)

Учитывая актуальность использования энергии в важных, общественно полезных сферах жизнедеятельности, необходимо ввести еще один коэффициент - "социально-полезный" КПД ₂ (t). Тогда (23) запишем в виде:

(24)

Затем в выражении (24), заменив энергию на негэнтропию, получаем:

, (25)

где - затраченное (использованное) количество негэнтропии; S₂ (t) - реально доступные за время запасы негэнтропии.

Безусловно, критерий технического прогресса К₅ (t) можно уточнять, учитывая различные факторы жизнедеятельности. Однако из (25) видны степени технического уровня, истощение природных ресурсов и загрязнения окружающей природы среды.

Расход негэнтропии в единицу времени в выражении (25) представляет собой величину, близкую к производной внутренней энтропии S₁ открытой термодинамической системы. Выражение (25) в общем виде может оценивать запасы природного топлива, материалов и других ресурсов, степень загрязнения окружающей среды с учетом реально доступных запасов негэнтропии S₂ (t). Эти запасы постоянно убывают, причем в ряде случаев значительно быстрее, чем скорость восстановления окружающей природной среды.

При этом можно допустить скачкообразный рост негэнтропии за счет качественного скачка в миропонимании, мощного прорыва в техническом прогрессе, каким является ядерная энергетика. Научно-технические достижения в части утилизации отходов и освобождения от тепловых загрязнений также могут способствовать росту негэнтропии.

Библиография

1. Базаров И.П. термодинамика: учеб. для. вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1991. - 376 с.: ил.

2. Бордовский Г.А., Бурсиан Э.В. Б.82. общая физика: курс лекций с компъютерной поддержкой: Учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. заведений: В 2 Т. - М: Издательство Владос-пресс, 2001. - Т.1. - 240с.: ил.

3. Гершензон Е.М. и др. Г37 Молекулярная физика: учеб. пособие для студ. Высш. Пед. Учеб. заведений /Е.М. Гершензон, И.Н. Малов, А.М. Мансуров. - М.: Издательский центр "Академия", 2000. - 272 с.

4. Кричевский И.Р., Петрянов И.В. К828 Термодинамика для многих. М., "Педагогика", 1975., 160с с ил. (библиотечка Детской энциклопедии "Ученые - школьнику")

5. Куклев Ю.И. к.89. Физическая экология: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 2001. - 357 с.: ил.