Основа устойчивого развития биосферы

 

Термодинамика устанавливает свойства систем (внутренняя энергия, теплота, работа), не прибегая к детальному рассмотрению процессов на молекулярном уровне, пользуясь специальными законами – началами термодинамики.

Существует несколько положений, касающихся применения начал термодинамики к биологическим процессам. Согласно одному из них, законы термодинамики не применяют для описания высших форм движения материи – биологического, общественного. Более высокая форма движения материи содержит в себе физические формы, но не сводится к ним.

Развитие высших форм движения материи зависит от факторов, которые прямо не связаны с параметрами термодинамики – внутренней энергией, теплотой, температурой, работой:

где Q – теплота системы, Дж/кмоль; U – внутренняя энергия, Дж/кмоль; Т – температура, К; S – энтропия, Дж/кмоль∙град; A_i – обобщенная сила; a_i – обобщенная координата;  Δ S – изменение энтропии процесса, Дж/кмоль∙град.

Описание высших форм движения материи или их моделирование необходимо проводить с величинами, которые входят в основные законы развития биосферы.

Второй подход состоит в установлении границ термодинамики – размеров области экспертизы. Нижняя граница – молекулярные и субмолекулярные системы, верхняя – системы галактических размеров, в которых действуют дальнодействующие гравитационные силы.

Неправильная оценка границ применения термодинамики привела к появлению ошибочных теорий, касающихся развития биосферы. Так, в XIX в. Клаузиус выдвинул теорию «тепловой смерти» Вселенной. В противовес «тепловой смерти» Вселенной Больцман выдвинул «флуктуационную гипотезу», в которой жизнь рассмотрена с позиций теорий флуктуации – отклонений от равновесных параметров системы, действующих на молекулярном уровне.

Гипотезу Больцмана, так же, как и гипотезу Клаузиуса, следует признать ошибочной из-за неправомерного перенесения законов термодинамики на развитие высших форм движения материи.

Соотношение законов термодинамики и законов биосферы следует рассматривать в другой плоскости – в отношении энтропийных и энергетических потоков экологических систем.

Согласно принципу Больцмана, связь между энтропией и вероятностью нахождения системы в данном состоянии определена формулой

,

где S – энтропия системы, Дж/кмоль·град;   W – вероятность; k – постоянная Больцмана, Дж/моль∙град.

В любой замкнутой системе энтропия в самопроизвольных процессах увеличивается. Система переходит из менее вероятного в более вероятное состояние. В биосфере по мере развития энтропия снижается вследствие усложнения процессов и явлений, что приводит к кажущимуся   противоречию со вторым началом термодинамики. В действительности противоречия нет, так как биосфера незамкнута и нестационарна. Экстраполировать влияние энтропийного фактора на системы больших размеров также нельзя – нарушаются условия границ применения термодинамики. Выход из этого положения указан Больцманом. Он выдвинул гипотезу, согласно которой закон возрастания энтропии связан с направлением времени в биологических процессах. Возрастание энтропии и направленность времени – явления взаимосвязанные. Время движется в том направлении, в котором возрастает энтропия. Направленность времени имеет объективное существование и указывает на развитие предметов, их постоянное изменение.

Из закона возрастания энтропии вытекает следующее следствие. Если в природе имеются системы, в которых самопроизвольно протекают процессы, сопровождающиеся снижением энтропии, то в них время имеет обратное направление.

Действие закона возрастания энтропии на биосферу проявляется в виде борьбы живых организмов с энтропией. Чем меньше размеры живого организма, тем труднее ему поддерживать энергетические и материальные балансы вследствие высокой удельной поверхности и большого избытка поверхностной энергии существа. Борьба с энтропией в эволюционном процессе приводит к увеличению размеров особей. Крупные существа с большой массой обладают большей независимостью от внешних условий, но на передвижение и функционирование организма они затрачивают значительное количество энергии. Вступают в противоречие два фактора – энтропия и размер живого организма, что приводит к вымиранию наиболее крупных особей и установлению оптимального равновесия.

Следующий фактор, косвенно связанный с энтропией и воздействующий на биосферу, – усвоение энергии живыми организмами и процессы перехода одной формы энергии в другую.

Практическая ценность энергии, получаемой человеком, определяется той ее частью, которая превращается в полезную работу. Мера превратимой энергии в полезную работу называют эксергией. Эксергия измеряется количеством механической или другой формы энергии, которое получено от данной системы в результате перехода из одного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.

Предположим, в систему вводится 100 кДж эксергии – энергии, способной превратиться в работу, а выводится 40 кДж. Система потеряла 60 кДж эксергии. Суммарная величина потерь эксергии равна разности входящих и выходящих эксергий:

.

При обратимом процессе эксергетические потери всегда равны нулю, так как эксергия обладает свойством аддитивности:

.

Определив потери эксергии, рассчитаем эксергический коэффициент полезного действия (КПД), характеризующий степень идеальности протекающих процессов:

.

Эксергия связана с термодинамическими функциями состояния:

где Э_ф – физическая эксергия, равная максимальной работе изобарно-изотермического или изохорно-изотермического потенциала; Δ m_i, n_i – изменение химического потенциала, число молей системы; Δ H – энтальпия; Δ U – внутренняя энергия; ΔХ – химический потенциал; Э _Х – химическая эксергия, равная химическому потенциалу системы ΔХ; Δ G, Δ F – изобарный и изохорный потенциалы.

При совершении работы за счет кинетической или потенциальной энергии эксергия равна кинетической и потенциальной энергии:

; ,

где  – кинетическая эксергия;  – потенциальная эксергия; ,  – соответственно кинетическая и потенциальная энергия.

Суммарную систему эксергии находят по формулам:

 – изобарно-изотермический процесс;

 – изохорно-изотермический процесс.

Выразим величины эксергии через стоимости процессов ущерба экологической системе, оценим процесс с точки зрения экономики, т.е. проведем эксергический анализ:

где С _i – стоимость единицы эксергии; Э _i – количество эксергии; K_i – затраты на производство эксергии; Y_i – ущерб экологической системе от реализации процесса.

Рассмотрев несколько вариантов, проводят оптимальное проектирование технологического процесса или предприятия из условия минимума стоимостных затрат:

Эффективность использования энергетических ресурсов зависит от коэффициента полезного действия преобразования одной формы энергии в другую (табл.1.3).

Таблица 1.3

Эффективность преобразования различных видов энергии

Вид преобразования энергии	КПД, %	Система преобразования
Тепловая в кинетическую   Тепловая в электрическую  Излучение в электрическую Электрическая в химическую Химическая в электрическую   Электрическая в механическую Механическая в электрическую Химическая в тепловую	30–45   5–8 10–15 70–75 60–90   60–95 До 98 10–88	Турбина теплоэлектростанции, ракетный двигатель  Термопара Солнечная батарея Аккумуляторная батарея Топливный элемент, электрохимические источники тока Электромотор Электрогенератор Печи, котлы, горелки

Существуют ограничения на преобразование теплоты в работу. Они обусловлены следствием из второго закона термодинамики, показывающим, что часть теплоты безвозвратно теряется.

В результате термодинамических ограничений в природе существует тепловая ловушка; избежать ее невозможно при любой схеме преобразования теплоты в работу. Поясним этот процесс, пользуясь методом термодинамических потенциалов. Для этого запишем уравнения максимальной работы системы:

-  – изохорно-изотермический процесс;

-  – изобарно-изотермический процесс,

где  – максимальная работа, совершаемая системой, Дж/кмоль;

F – изохорно-изотермический потенциал, Дж/кмоль; G – изобарно-изотермический потенциал, Дж/кмоль; ΔS – энтропия, Дж/кмоль∙град.

 

Рис.1.2. Схема получения электрической энергии на ТЭС

 

Количество теплоты, теряемое безвозвратно, равно произведению температуры на изменение энтропии – это связанная теплота. Применение термодинамических методов анализа позволяет оценивать эффективность преобразования различных форм энергии в тепловых процессах.

В качестве примера рассмотрим получение электрической энергии на тепловой электростанции (ТЭС). На ТЭС реализуется цепь превращенной энергии, изображенная на рис. 1.2. Химическая энергия, запасенная в топливе, в результате горения переходит в тепловую энергию. Тепловая энергия переходит в механическую энергию движения турбины, а механическая энергия переходит в электрическую.

Рассмотренная цепь превращения приводит к суммарному коэффициенту использования энергии, запасенной в топливе, равному 32%:

На тепловой электростанции около 68% энергии теряется в окружающей среде, нарушая сложившийся тепловой баланс.

Источники энергии требуют энергетических затрат на переработку и добычу топлива. Эти затраты необходимо учитывать в коэффициенте полезного действия процесса. Рассмотрим процесс газификации угля и выработку электроэнергии из синтез-газа. Для расчета КПД процесса составим баланс теплоты по сгоранию продуктов газификации при постоянном давлении. В этих условиях теплота обладает свойством аддитивности:

где Н – энтальпия процесса, кДж/кг.

Тепловой баланс газификации угля показан на рис. 1.3. Основные продукты газификации: синтез-газ, смолы, фенолы, аммиак, соединения серы.

 

 

Рис. 1.3. Тепловой баланс газификации угля

 

Коэффициент полезного действия электоростанции, работающей на синтез-газе из газифицированного угля, равен 24%:

 

,

где 0,75 – КПД газификации угля с учетом сгорания смол, фенолов, масел, аммиака, серы.

Электростанция, работающая на синтез-газе, имеет еще более низкий КПД:

,

 

где 0,6 – КПД газификации угля без учета теплоты сгорания смол, фенолов, масел, аммиака, серы.

Составив тепловые балансы различных вариантов использования топлива, выбирают наиболее рациональный путь применения.

При работе атомной электростанции потребитель получает примерно 27% от общей энергии, выделяющейся при расщеплении ядерных материалов. Происходит это вследствие значительных затрат энергии на утилизацию и обезвреживание отходов, достигающих 30%, обогащение руды и компенсацию затрат на строительство – 15%.

Вопросы рационального использования энергии рассматривает энергетика. Энергетику относят к одной из форм природопользования. В перспективе количество получаемой энергии неограниченно, но энергетика имеет ограничения по тепловым потокам биосферы. Они зависят от баланса получения энергии, ее потерь, усвоения живыми организмами и неживой природой. В настоящее время суммарный баланс приходной и расходной частей энергии оценивается величиной порядка  Вт. В процессе фотосинтеза из этого количества энергии усваивается  Вт. Предполагаемое увеличение доли выделяемой энергии в биосфере свыше  Вт кризисно отразится на ее развитии вследствие нарушения тепловых потоков и загрязнения окружающей среды.

 

Рис.1.4. Доля различных видов энергетических ресурсов в

выработке первичной энергии

 

Из всей энергии, полученной в 80–90 гг. XX в. (рис.1.4), примерно четвертая часть расходовалась на транспортные нужды. Наиболее расточительный потребитель энергии – автомобиль. Автомобильный транспорт потребляет более половины всей энергии, расходуемой на транспортные нужды.

Принципы рационального использования энергии в промышленности и на транспорте осуществляют различными методами.

В промышленности главная задача – применение вторичных энергетических ресурсов, на транспорте – повышение коэффициента полезного действия по преобразованию тепловой энергии в механическую, но общие проблемы, характерные для энергетических устройств, можно сформулировать следующим образом:

– учет экономических последствий применения энергетических устройств;

– экономное расходование энергетических ресурсов;

– выбор наиболее рационального пути преобразования одного вида энергии в другой.

Решение перечисленных выше проблем сохраняет устойчивое развитие биосферы и не приводит к глобальным катастрофическим изменениям природы.

Рациональное применение энергии непосредственно связано с эффективностью источников энергии, используемых в различных процессах. Все источники энергии разделим на три большие группы:

– традиционные источники энергии;

– альтернативные источники энергии;

– смешанные источники энергии.

К традиционным источникам энергии относят гидроэлектростанции (ГЭС), ТЭС всех видов – угольные, нефтяные, газовые, торфяные, атомные электростанции всех типов, двигатели внутреннего сгорания, теплоустановки.

Основные виды альтернативной энергетики включают гелиоэнергетику, биоэнергетику, ветроэнергетику, альтернативную гидроэнергетику, геотермальную энергетику.

В гелиоэнергетике энергия излучения солнца непосредственно превращается в другие формы энергии.

Основа биоэнергетики – производство биомассы, биосинтеза водорода, жидкого и газообразного топлива – биогаза. К биоэнергетическим установкам следует отнести мусоросжигающие станции.

В альтернативной гидроэнергетике используют энергию морских течений, приливов, волн.

Геотермальная энергетика развивается в направлении создания градиентных установок геотермальной энергии – разности температур глубин и поверхности моря, тепловых насосов.

Смешанные источники энергии – это атомно-водородные установки, солнечно-водородные устройства, использующие энергию солнца для получения водорода.

Альтернативные и смешанные источники энергии, несмотря на высокие эколого-экономические показатели, составляют незначительную долю от традиционных энергетических установок, но в перспективе роль альтернативных источников энергии будет возрастать, так как они более совместимы с экологическими системами.

Материальный баланс

 

С целью выяснения причин загрязнения окружающей среды составляют материальные балансы источников выбросов и сбросов вредных веществ. В большинстве случаев проще и надежнее составить материальный баланс технологического процесса, чем использовать прямые методы измерения количества вредных веществ, которые не всегда доступны и эффективны вследствие больших затрат времени и материальных средств.

Уравнения материального баланса основаны на законе сохранения веществ, позволяют решать следующие задачи:

– определить массу токсичных веществ, попадающих в атмосферу, воду, почву;

– рассчитать концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах;

– рассчитать эксплуатационные характеристики очистных сооружений, технологических процессов, промышленных предприятий;

– выдать рекомендации и принять решения по вводу в действие природоохранных мероприятий.

Основные уравнения материального баланса следующие:

 

 

где , ,  – соответственно масса, мольная доля, скорость накопления вещества в системе; ,  – соответственно масса, мольная доля, скорость поступления вещества в систему;  – соответственно масса, мольная доля, скорость выхода вещества из системы.

Пример 1. Определение расхода сточной воды с помощью метода индикатора. Задача формулируется следующим образом. Определить расход сточной воды с помощью введения индикатора в сток. В качестве индикатора используют краситель или любое вещество, которое достаточно просто анализируется в сточной воде. Для решения задачи составим материальный баланс сточной воды:

 

где   – расход сточной воды, м³/с;  – расход индикатора, постоянно вводимого в сток, м³/с; – фоновая концентрация индикатора в сточной воде, кг/м³;  – концентрация индикатора в растворе, кг/м³; C – концентрация индикатора в сточной воде после добавления раствора и его равномерного перемешивания со стоком, кг/м³.

Из уравнения материального баланса находим расход сточной воды:

Обычно применяют такой индикатор, которого нет в сточной воде (С _ф = 0):

 

Пример 2. Работа биологических очистных сооружений (рис.1.5).

За работой очистных сооружений следит химическая лаборатория. Из лабораторных анализов известно, что на очистку (А) поступило 100 кг загрязненной воды. Вода содержит   4 мас.% твердых веществ, из них 70% – органические вещества, 30% – неорганические. Из отстойника (D) удаляют суспензию, содержащую 6% твердых веществ, в том числе 50% органических. Составить баланс работы очистных сооружений.

 

Рис.1.5. Схема работы биологических очистных сооружений

 

Для составления материального баланса входящие компонен-

ты – воду, органические, неорганические вещества – обозначим X ₁, Y ₁, Z ₁. Входящие компоненты – Z ₁, Y ₁, X ₂, X ₃, Y ₃. Составляем материальный баланс для точки А:

Материальный баланс для точки D:

 

Неорганические твердые вещества в биологических очистных сооружениях не разлагаются и выводятся с осадком. Такие вещества называются сквозными компонентами.

Материальный баланс для точки В означает, что биогаз образуется только из органических веществ:

.

Материальный баланс для точки С

.

Система уравнений материального баланса для очистных сооружений  имеет следующий вид:

Решив систему уравнений, найдем параметры работы биологических очистных сооружений:

 

В табл. 1.4. отражены наименование, величина сырья, конечные продукты.

Таблица 1.4