Принцип максимальной мощности

Принцип максимальной мощности или принцип Лотки ^[1] был предложен в качестве четвертого принципа энергетики в открытых систем термодинамике . По словам американского эколога Говарда Т. Одума , «можно сформулировать принцип максимальной мощности: в ходе самоорганизации развиваются и преобладают конструкции систем, которые максимизируют потребление энергии, ее преобразование и те виды использования, которые усиливают производство и эффективность». ^[2]

История

Чен (2006) обнаружил происхождение утверждения о максимальной власти как формальном принципе в предварительном предложении Альфреда Дж. Лотки (1922a, b). Заявление Лотки стремилось объяснить дарвиновское понятие эволюции со ссылкой на физический принцип. Работа Лотки была впоследствии развита системным экологом Говардом Т. Одумом в сотрудничестве с инженером-химиком Ричардом К. Пинкертоном, а позже развита инженером Майроном Трибусом .

Хотя работа Лотки, возможно, была первой попыткой формализовать эволюционную мысль в математических терминах, она последовала за аналогичными наблюдениями, сделанными, например , Лейбницем , Вольтеррой и Людвигом Больцманом на протяжении иногда противоречивой истории натурфилософии. В современной литературе это чаще всего ассоциируется с творчеством Говарда Т. Одума.

Значимость подхода Одума получила большую поддержку в 1970-е годы, во время нефтяного кризиса , когда, как заметил Гиллиланд (1978, стр. 100), возникла потребность в новом методе анализа важности и ценности энергетических ресурсов. экономическому и экологическому производству. Область, известная как энергетический анализ , сама по себе связанная с чистой энергией и EROEI , возникла для удовлетворения этой аналитической потребности. Однако в энергетическом анализе возникли непреодолимые теоретические и практические трудности при использовании единицы энергии для понимания: а) преобразования между концентрированными видами топлива (или видов энергии ), б) вклада труда и в) вклада окружающей среды.

Философия и теория

Lotka said (1922b: 151):

Принцип естественного отбора оказывается способным дать информацию, которую первый и второй законы термодинамики не способны предоставить. Двух фундаментальных законов термодинамики, конечно, недостаточно, чтобы определить ход событий в физической системе. Они говорят нам, что некоторые вещи не могут произойти, но они не говорят нам, что происходит.

Гиллиланд отметил, что эти трудности анализа, в свою очередь, потребовали некоторой новой теории, чтобы адекватно объяснить взаимодействия и действия этих различных энергий (разных концентраций топлива, рабочей силы и сил окружающей среды). Гиллиланд (Gilliland 1978, стр. 101) предположил, что утверждение Одума о принципе максимальной власти (HTOdum 1978, стр. 54–87), возможно, было адекватным выражением необходимой теории:

Эта теория, выраженная в принципе максимальной мощности, обращается к эмпирическому вопросу о том, почему системы любого типа и размера организуются по наблюдаемым закономерностям. Такой вопрос предполагает, что физические законы управляют работой системы. Например, он не предполагает, что система, включающая экономическое производство, управляется потребителями; скорее, весь цикл производства-потребления структурирован и управляется физическими законами.

Эту теорию Одум назвал теорией максимальной мощности. Чтобы сформулировать теорию максимальной мощности, Гиллиланд заметил, что Одум добавил еще один закон (принцип максимальной мощности) к уже хорошо известным законам термодинамики. В 1978 году Гиллиланд написал, что новый закон Одума еще не вступил в силу (Gilliland 1978, стр. 101). Гиллиланд заявил, что в теории максимальной мощности второй закон эффективности термодинамики требует дополнительной физической концепции: «концепции второго закона эффективности при максимальной мощности» (Gilliland 1978, стр. 101):

Ни первый, ни второй закон термодинамики не включают в себя меру скорости, с которой происходят энергетические преобразования или процессы. Концепция максимальной мощности включает время в измерения энергетических преобразований. Он предоставляет информацию о скорости, с которой один вид энергии преобразуется в другой, а также об эффективности этого преобразования.

Таким образом, концепция максимальной мощности использовалась как принцип количественного описания избирательного закона биологической эволюции . Возможно, наиболее краткое изложение этой точки зрения было у Х.Т.Одума (1970, стр. 62):

Лотка представил теорию естественного отбора как организатора максимальной власти; в конкурентных условиях выбираются системы, которые используют свою энергию в различных структурно-развивающих действиях так, чтобы максимально использовать имеющиеся энергии. Согласно этой теории, системы циклов, которые потребляют меньше энергии, проигрывают в сравнительном развитии. Однако Леопольд и Лангбейн показали, что потоки в развивающихся профилях эрозии, меандровых системах и притоковых сетях рассеивают свою потенциальную энергию медленнее, чем если бы их каналы были более прямыми. Эти два утверждения можно согласовать с принципом оптимальной эффективности и максимальной мощности (Одум и Пинкертон, 1955), который указывает на то, что энергия, которая слишком быстро преобразуется в тепло, не становится доступной для собственного использования системами, поскольку она не возвращается через хранилища в полезные перекачивать, а вместо этого делать случайное перемешивание среды.

Подход Одума-Пинкертона к предложению Лотки заключался в применении закона Ома - и связанной с ним теоремы о максимальной мощности (результат в электроэнергетических системах) - к экологическим системам. Одум и Пинкертон определили «мощность» в электронных терминах как скорость работы , где Работа понимается как « полезное преобразование энергии ». Таким образом, понятие максимальной мощности можно определить как максимальную скорость преобразования полезной энергии . Следовательно, основная философия направлена на объединение теорий и связанных с ними законов электронных и термодинамических систем с биологическими системами. Этот подход предполагал аналогичный взгляд , который рассматривает мир как экологически-электронно-экономический двигатель.

Предложения по принципу максимальной мощности как 4-му термодинамическому закону

указывал, Больцман что основным предметом спора в жизненной борьбе, в эволюции органического мира является доступная энергия. С этим наблюдением согласуется принцип, согласно которому в борьбе за существование преимущество должно принадлежать тем организмам, чьи энергозахватывающие устройства наиболее эффективно направляют имеющуюся энергию в каналы, благоприятные для сохранения вида.
— A.J. Lotka 1922a, p. 147

Лотка подчеркнул центральную роль доступной энергии в борьбе за выживание и эволюцию. Утверждая, что организмы с более эффективными механизмами захвата энергии получают преимущество, Лотка, по сути, присоединился к MPP. MPP утверждает, что биологические системы, как и любые другие сложные системы, имеют тенденцию развиваться таким образом, чтобы максимизировать потребление энергии или поток энергии. В этом контексте организмы, которые эффективно захватывают и используют энергетические ресурсы, с большей вероятностью будут процветать и размножаться, стимулируя эволюционные процессы. Наблюдение Лотки обеспечивает раннюю теоретическую основу для понимания роли динамики энергии в биологической эволюции.

...этому автору кажется уместным объединить биологические и физические традиции, придав дарвиновскому принципу естественного отбора ссылку на четвертый закон термодинамики , поскольку он является управляющим принципом скорости тепловыделения и параметров эффективности в необратимых биологических процессах. процессы.
- Х. Т. Одум 1963, с. 437

Предложение Одума связать дарвиновский естественный отбор с четвертым законом термодинамики имеет важное значение. Это предполагает, что принципы, управляющие биологической эволюцией, тесно связаны с принципами термодинамики, особенно с концепциями потока энергии и производства энтропии. Рассматривая естественный отбор как термодинамический процесс, Одум предполагает, что организмы развивают черты и поведение, которые улучшают захват и использование их энергии, в соответствии с MPP. Более того, делая упор на регулировании выработки тепла и эффективности биологических процессов, Одум подчеркивает важность оптимизации использования энергии для выживания и воспроизводства, повторяя принципы MPP.

...возможно, пришло время признать принцип максимальной мощности четвертым термодинамическим законом, предложенным Лоткой.
- Х.Т. Одум 1994 г.

Пропаганда Одума признания MPP четвертым термодинамическим законом представляет собой кульминацию более ранних представлений о взаимосвязи между термодинамикой и биологией. Повышая MPP до статуса фундаментального термодинамического закона, Одум подчеркивает его универсальную применимость к различным сложным системам, включая биологические. Эта точка зрения подчеркивает, что биологические системы, движимые императивами выживания и воспроизводства, имеют тенденцию развиваться таким образом, чтобы максимизировать свою выходную мощность, тем самым увеличивая свою способность использовать доступные энергетические ресурсы. Признавая MPP в качестве руководящего принципа, Одум подчеркивает его объяснительную силу в понимании динамики экосистем, взаимодействия популяций и эволюционных траекторий.

Определение словами

Можно сформулировать принцип максимальной мощности: в ходе самоорганизации разрабатываются и преобладают конструкции систем, которые максимизируют потребление энергии, преобразование энергии и те виды использования, которые усиливают производительность и эффективность. (HT Odum 1995, стр. 311)

...принцип максимальной мощности... утверждает, что системы, которые максимизируют поток энергии, выживают в конкуренции. Другими словами, вместо того, чтобы просто принять тот факт, что больше энергии в единицу времени преобразуется в процессе, который протекает с максимальной мощностью, этот принцип утверждает, что системы организуются и структурируются естественным образом для максимизации мощности. Системы саморегулируются по принципу максимальной мощности. Со временем системы, которые максимизируют мощность, отбираются, а те, которые этого не делают, отбираются и в конечном итоге устраняются. ... Одум утверждает... что механизмы свободного рынка в экономике фактически делают то же самое для человеческих систем и что наша экономическая эволюция на сегодняшний день является продуктом этого процесса отбора. (Гиллилэнд, 1978, стр. 101–102)

Одум и др. рассматривал теорему о максимальной мощности как принцип взаимного выбора энергоэффективности, имеющий более широкое применение, чем только электроника. Например, Одум видел это в открытых системах, работающих на солнечной энергии, таких как фотоэлектрические системы и фотосинтез (1963, стр. 438). Как и теорема о максимальной мощности, формулировка Одума о принципе максимальной мощности основана на понятии «согласования», согласно которому высококачественная энергия максимизирует мощность за счет сопоставления и усиления энергии (1994, стр. 262, 541): «в сохранившихся конструкциях вполне вероятно, что произойдет сопоставление высококачественной энергии с большими объемами энергии низкого качества» (1994, стр. 260). Как и в электронных схемах, результирующая скорость преобразования энергии будет максимальной при промежуточном КПД. В 2006 году Т. Т. Кай, К. Л. Монтегю и Дж. С. Дэвис заявили, что «принцип максимальной мощности является потенциальным руководством к пониманию моделей и процессов развития и устойчивости экосистем. Этот принцип предсказывает избирательное сохранение экосистемных конструкций, которые улавливают ранее неиспользованную энергию». источник." (2006, стр. 317). В нескольких текстах Х. Т. Одум приводил Машина Этвуда как практический пример «принципа» максимальной мощности.

Математическое определение

Математическое определение, данное Х. Т. Одумом, формально аналогично определению, данному в статье о теореме о максимальной мощности . (Краткое объяснение подхода Одума к взаимосвязи экологии и электроники см. в разделе «Экологический аналог закона Ома »).

Современные идеи

Вопрос о том, можно ли считать принцип максимальной энергоэффективности четвертым законом термодинамики и четвертым принципом энергетики, остается спорным. Тем не менее, Х. Т. Одум также предложил следствие максимальной мощности как организационный принцип эволюции, описывая эволюцию микробиологических систем, экономических систем , планетных систем и астрофизических систем. Он назвал это следствие принципом максимального расширения полномочий . Это было предложено потому, что, как отмечают С.Е. Йоргенсен, М.Т. Браун, Х.Т. Одум (2004),

Максимальная мощность может быть неправильно истолкована как означающая приоритет процессов низкого уровня. ... Однако процессы трансформации более высокого уровня не менее важны, чем процессы низкого уровня. ... Таким образом, принцип Лотки поясняется, формулируя его как принцип самоорганизации для достижения максимальной силы .
— с. 18

К. Джаннантони, возможно, запутал ситуацию, когда написал: «Принцип максимальной электромагнитной мощности» (Лотка-Одум) обычно считается «Четвертым термодинамическим принципом» (в основном) из-за его практической применимости для очень широкого класса физических и биологических явлений. системы» (К. Джаннантони 2002, § 13, стр. 155). Тем не менее, Джаннантони предложил принцип максимальной электромагнитной мощности в качестве четвертого принципа термодинамики (Джаннантони, 2006).

Предыдущее обсуждение является неполным. «Максимальная мощность» была открыта несколько раз независимо, в физике и технике, см.: Новиков (1957), Эль-Вакиль (1962), Керзон и Альборн (1975). Некорректность этого анализа и выводов об эволюции конструкции была продемонстрирована Гифтопулосом (2002).

См. также

Ссылки

^ Тилли, Дэвид Роджерс (2004). «Вклад Говарда Т. Одума в законы энергии» (PDF) . Экологическое моделирование . 178 (1–2): 121–125. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2003.12.032 .
^ HT Одум 1995, с. 311

Т.Т. Кай, К.Л. Монтегю и Дж.С. Дэвис (2006) «Принцип максимальной мощности: эмпирическое исследование», Экологическое моделирование , том 190, выпуски 3–4, страницы 317–335.
GQ Chen (2006) «Недостаток эксергии и экологическая оценка, основанная на воплощенной эксергии», «Коммуникации в нелинейной науке и численном моделировании », том 11, выпуск 4, июль, страницы 531–552.
Р. Костанца, Дж. Камберленд, Х. Э. Дейли, Р. Гудленд и Р.Б. Норгаард (1997) Введение в экологическую экономику , CRC Press – St. Lucie Press, первое издание.
Ф.Керзон и Б.Альборн (1975) «КПД двигателя Карно при максимальной выходной мощности», Am J Phys , 43, стр. 22–24.
К.Джаннантони (2002) Принцип максимальной электромагнитной мощности как основа термодинамики качества , Servizi Grafici Editoriali, Падуя.
К.Джаннантони (2006) Математика для генеративных процессов: Живые и неживые системы, Журнал вычислительной и прикладной математики , том 189, выпуск 1–2, страницы 324–340.
М.В. Гиллиланд изд. (1978) Энергетический анализ: новый инструмент государственной политики , серия избранных симпозиумов AAA, Westview Press, Боулдер, Колорадо.
CASHall (1995) Максимальная мощность: идеи и применения HTOdum , Colorado University Press.
CASHall (2004) «Непрекращающаяся важность максимальной мощности», Экологическое моделирование , том 178, выпуск 1–2, 15, страницы 107–113.
HW Джексон (1959) Введение в электронные схемы , Прентис-Холл.
С.Э.Йоргенсен, М.Т.Браун, Х.Т.Одум (2004) «Энергетическая иерархия и трансформация во Вселенной», Экологическое моделирование , 178, стр. 17–28.
АЛЛЕнингер (1973) Биоэнергетика, WA Benjamin Inc.
А.Я.Лотка (1922а) « Вклад в энергетику эволюции » [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8: стр. 147–51.
А.Я.Лотка (1922b) ' Естественный отбор как физический принцип ' [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8, стр. 151–4.
ХТОдум (1963) «Границы отдаленных экосистем, содержащих человека», Американский учитель биологии , том 25, № 6, стр. 429–443.
ХТОдум (1970) Энергетическая ценность водных источников. на 19-й Южной конференции по водным ресурсам и контролю загрязнения.
HTOdum (1978) «Качество энергии и окружающая среда», в изд. MWGilliland. (1978) Энергетический анализ: новый инструмент государственной политики , серия избранных симпозиумов AAA, Westview Press, Боулдер, Колорадо.
HTOdum (1994) Экологические и общие системы: введение в системную экологию , издательство Университета Колорадо.
HTOdum (1995) «Самоорганизация и максимальное расширение возможностей», в CASHall (ред.) «Максимальная власть: идеи и применение HTOdum» , Colorado University Press, Колорадо.
HTOdum и RCPinkerton (1955) «Регулятор скорости времени: оптимальная эффективность для максимальной производительности в физических и биологических системах», Am. наук. , 43 стр. 331–343.
ХТОдум и М.Т.Браун (2007) Окружающая среда, власть и общество двадцать первого века: иерархия энергетики , издательство Колумбийского университета.
М.Трибус (1961) § 16.11 «Обобщенное рассмотрение линейных систем, используемых для производства энергии», Термостатика и термодинамика , Ван Ностранд, Университетская серия по фундаментальной инженерии, стр. 619.
Новиков И.И., (1958). КПД атомных электростанций. J. Ядерная энергия II , Том. 7, стр. 125–128; перевод из «Атомной энергии» , Том. 3, (1957), № 11, с. 409
Эль-Вакил, М.М. (1962) Атомная энергетика , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, стр. 162–165.
Керзон Ф.Л., Альборн Б. (1975) КПД двигателя Карно при максимальной мощности, Американский журнал физики , Vol. 43, стр. 22–24.
Гифтопулос Е.П., (2002). Об эффективности Керзона-Альборна и ее отсутствии связи с процессами производства электроэнергии, Energy Conversion and Management , Vol. 43, стр. 609–615.

[1] Тилли, Дэвид Роджерс (2004). «Вклад Говарда Т. Одума в законы энергии» (PDF) . Экологическое моделирование . 178 (1–2): 121–125. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2003.12.032 .

[2] HT Одум 1995, с. 311

[1]

[2]