在生态系统中

式中,g为自由能,即系统可对外做功的有用能;h指系统热焓,即系统含有的潜能;s代表系统的熵;t是过程进行时的热力学温度

热力学第二定律是对于封闭系统而言的,为了更充分理解它,可用有序性和熵理论做进一步解释序(有序)是指事物的一种有规则的状态;与之相反的无序则是事物的一种无规则状态由热力学第二定律可知,世界上一切有序的结构、格局、安排都会自然地走向于无序要维持有序状态,必须使系统获得更多的潜能去做功,以消除不断产生的无序,重新建立有序熵( en-tropy)是一个热力学函数,是对系统或事物无序性的量度,其定义为“从热力学零度无分子运动的最大有序状态向某种含热状态变化过程中每一度(温度变化)的热量(变化)”

(2)热力学第二定律…一能量效率和能流方向定律 热力学第二定律(the second law of thermodynamics)是描述能量的传递方向和转换效率的规律自然界的所有自发过程,能量的传递均有一定方向,而且任何的能量转换,其效率不可能达到100%,这就是热力学第二定律要阐述的基本内容例如,在封闭系统中存在的温差、压力差、浓度差在变化过程中总是趋向于零,水自动往低处流而不向高处流,烧红的铁条在空气中自然冷却而不是变热,动植物残体会自动分解而不是聚合,热能转换为机械能的过程中总有一部分能量散失,这些都是热力学第二定律研究的现象

在生态系统中,能量的转换也服从热力学第二定律当能量在生产者、消费者和分解者之间进行流动和传递时,一部分能量通过呼吸作用变为热而消散掉,其余能量用于做功、合成新的生物组织或以物质的化学潜能储存起来

1.能量的基本概念 能量(energy),在物理学上指的是物质具有做功的能力能是物质运动的量度,相应于不同的运动形式,有不同形态的能量,如机械能、化学能、辐射能、势能、电能、动能、核能、热能等一般又把能分为两种存在形式:潜能和动能潜能是静态能量,它是存在于物体内部的化学能量,具有做功的潜在能力,生态系统中有机物质的化学结合能是潜能的一种动能则与物体本身的质量、运动速度和相对位置有关,动能是物理学上所主要讨论的能量形式能量的量度单位是焦耳(j)

式中,ah为系统总能的增加;△f为系统自由能的增加;t为热力学温度

(1)热力学第一定律——能量守恒定律热力学第一定律(the first law of thermodynamic-s)指出,热量(q)与机械功(w)之间是可以转化的,在转化中存在着确定的数量关系此定律表明,能量可以在不同的介质中被传递,在不同形式间被转换,但能量既不能被创出,也不能被消灭即能量在转换过程中是守恒的,只能按严格的热功当量比例由一种形式转变为另一种形式对于热功转换,可用下式表示

核心提示: 1.能量的基本概念 能量(energy),在物理学上指的是物质具有做功的能力能是物质运动的量度,相应于不同的运动形式,有不同形态的能量,如机械能、化学能、辐射能、势能、电能、动能、核能、热能等一般又把能分为两种存在形式:潜能和动能潜能是静态能量,它是存在于物体内部的化学能量,具有做功的潜在能力,生态系

伴随着能量转换过程的进行,系统中有潜在做功的能,会转化为自由能(free energy)和热能两部分,前者可对外做功,后者无法再利用,而以低温热能形式散发到外围空间

应用普利高津耗散结构理论分析,生物系统也是一种开放的远离平衡态的热力学系统,有机体乃至生态系统里存在一种连续而有效的能量转换的耗散结构,生物通过不断地与环境进行物质能量的交换,通过“自组织”和建立新结构,通过光合和同化作用,引入负熵值,造成并保持一种内部高度有序的低熵状态,并由呼吸作用和做功而不断把正熵值转出环境,排除无序生态系统作为一个能量和物质转换的开放系统,为了维持其自身的稳定和发展,也必须不断地输入能量,排除无序,建立有序,形成有效的耗散结构

△g=△h-t△s(2- 12)

△s= (△h-△f) /t-△q/t(2- 11)

△u=q-w

式中,△u为系统的内能变化,q为系统吸收的热量,w为系统对外所做的功

2.生态系统中能量的主要来源 能量是生态系统的动力基础,一切生命活动过程都存在着能量的流动和转化太阳能是生态系统中能量的最主要来源在占太阳总辐射能99%的主要波长(0. 15～4μm)范围内,包括约50%的可见光(0.4～0. 76μm)、约43%的红外线(>0.76μm)和约7%的紫外线(3.能流遵循的基本热力学定律 热力学是研究能量变换规律的科学,有机体、生态系统和整个生物圈都具有基本的热力学特点在生态系统中,能量的流动和转化,同样服从基本的热力学定律

可用熵来表述热力学第二定律(熵增原理):封闭系统的熵总是不断增加到最大值才停止也就是说一切自发的过程总是沿着熵增加的方向进行,系统从有序走向无序,熵增加,这是一个自发的过程,不需要外加能量;相反,熵减方向就必须外加能量的推动,而且外加能量的效率都必然少于100%

用自由能概念表述的热力学第二定律是:物体自由能的提高不可能是一个自发的过程;而且任何产生自由能储备的能量转换都不可能达到百分之百有效,用公式表示为

封闭系统的一个等温过程中,熵的变化(△s)可用下式计算

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因此,熵变化就是热量的变化与热力学温度之比,在温度为热力学零度(-273℃)时,任何一个物体的熵等于零

实际上,能量的当量转换关系不限于热、功和内能之间,各种形式的能量都有当量转换关系在生态系统中,太阳以电磁波形式传播辐射能,大部分太阳能通过地面、水面、生物表面等反射、散射和蒸发蒸腾耗能而离开生态系统;小部分通过绿色植物的光合作用转化为有机物质中的化学潜能,光合产物中的化学能扣除植物呼吸消耗后的剩余部分,才是储存于植物有机物中的化学潜能,它们构成了生态系统中所有消费者即动物和微生物的能量来源;而动物通过消耗体内储存的化学能,变为爬、跳、飞、游的动能总之,生态系统中的能量转换和流动过程,都可以根据热力学第一定律进行定量,列出能量平衡式和编制能量平衡表

(3)普里高津的耗散结构理论按照热力学第二定律,一个封闭系统最终要走向无序,走向解体然而,很多现象表明,开放系统是不断从无序走向有序,从低有序的状态走向高的有序状态,生物的进化从低级向高级进化就是一个例子普里高津的耗散结构理论解决了与这种现象有关的理论问题所谓耗散结构,是指开放系统在远离平衡态的非平衡状态下,系统可能出现的一种稳定的有序结构普利高津耗散结构理论(prigogine's dissipative structure theory)表明:一个远离平衡态的开放系统,通过与外界环境进行物质、能量的不断交换,就能克服混乱状态,维持稳定状态并且还有可能不断提高系统的有序性,使系统的熵减少开放系统的外界条件变化达到一定限度时,将发生非平衡相变,由原来的无序的混乱状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的新状态,这种新的有序状态需不断与外界交换物质和能量才能维持,并能保持一定的稳定性,这种状态就是耗散结构