Энтропия в структуре моделей бассейновых  геосистем

«Если представить окружающий нас мир в виде гигантской машины, то с термодинамической точки зрения такая машина неизбежно должна была бы остановиться, так как запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан».

В начале XX в. А. Эйнштейну понадобилось поместить наблюдателя внутрь системы: мировая машина выглядит по-разному в зависимости оттого, где находится наблюдатель. «Универсальные законы» мировой машины, как утверждает механистическое представление о реальном мире, в реальности являются не таким уж и универсальным и могут быть применимы лишь к локальным областям природных явлений.

На индустриальном этапе развития общества традиционная наука уделяла основное внимание устойчивости, порядку, однородности и равновесию. Традиционная наука изучает главным образом замкнутые системы и линейные соотношения, в которых малый сигнал на входе вызывает равномерно по всей области определения малый отклик на выходе.

Современный этап развития общества выдвигает новую модель мировой машины, суть которой по И. Пригожину сводится к следующему. Некоторые части Вселенной действительно могут действовать как механизмы, к примеру, замкнутые системы. Но замкнутые системы составляют малую часть или определенную долю физической Вселенной. Реалии свидетельствуют о том, что большинство систем открыты — они обмениваются энергией, веществами и информацией с окружающей их средой.

Развитие научного направления, связанного с термодинамикой (XIX в.), позволило сформировать второй закон термодинамики, в ко тором важное внимание уделяется понятию времени. Согласно второму закону термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, и мировая машина сбавляет обороты и необратимо приближается к тепло вой смерти, где не один момент времени не тождественен предшествующему. Ход событий в Вселенной невозможно повернуть вспять, так как это будет препятствовать возрастанию энергии. События в природе невоспроизводимы, т. е. время обладает направленностью.

Если запас энергии в системе уменыдается, то согласно второму закону термодинамики будущее рассматриваемой системы ожидается более однородным. Но, исходя из теории Дарвина, эволюция не приводит к понижению уровня организации и снижению разнообразия форм. Наоборот, эволюция развивается в противоположном направлении: от простого к сложному, от низших форм жизни к высшим, от недифференцированных структур к дифференцированным. С точки зрения этой теории, Вселенная, старея, обретает все более тонкую организацию, и со временем уровень организации Вселенной повышается. Применительно для рассматриваемых бассейновых геосистем как локальных подсистем биосферы Земли для сохранения направленности их естественного развития необходимо поддерживать и развивать уровень их природной организации.

Процессы современного эволюционного развития общества характе - ризуются все более выраженной тенденцией лучшего понимания окружающей среды обитания, в которой непрерывно протекают все процессы жизнедеятельности и обусловливают собой различные формы хозяи ственной деятельности человека.

Теоретической и методологической основой таких моделей являются фундаментальные базовые понятия материи, энергии, энтропии, время, работа, теплота и др.

Материя (лат. materia — вещество) — это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя — это объективная реальность, что окружает человека.

Материальные объекты всегда обладают внутренней упорядочнос- тью и системной организацией. Упорядочность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря которому они объединяются в системы. Системы — это внутреннее упорядоченное множество взаимосвязанных элементов. Связь между элементами в системе является более прочной, существенной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой, с элементами других систем.

Энергия (energeia — действия, деятельность) — количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В «Феймановских лекциях по физике» автор (Р. Фейман, лауреат Нобелевской премии по физике) отмечает: «Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Существует факт или закон, который управляет всеми явлениями природы. Название его — закон сохранения. Этот закон утверждает, что существует некоторая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, которые происходят в природе». В природе энергия не возникает из ничего и не исчезает, она только может переходить из одной формы в другую.

При переходе системы из одного состояния (1) в другое состояние (2) изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результа - те каких взаимодействий) осуществляется переход. Причина этого заключается в том, что энергия — однозначная функция состояния системы. Изменение энергии в системе может происходить при совершении работы {А) или при передаче системе некоторого количества теплоты (0.Энергия является функцией состояния системы, т. е. функцией, зависящей только ог значений параметров (давление, объем, температура, влажность и др.), которые определяют ее состояние.

В относительной теории считается, что энергия {Е) тела неразрывно связана с его массой (т) соотношением Е — тс\ где с — скорость света в вакууме. Любое материальное тело в природе обладает энергией. Энергия связывает воедино все явления в природе. Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии (ЗСЭ) — является одним из фундаментальных законов, согласно которому в изолированных системах энергия сохраняется и может переходить из одной формы в другую. Этому закону подчиняются все известные в природе процессы, что очень важно учитывать при изучении изменений состояния в бассейновых геосистемах под воздействием хозяйственной деятельности, которые рассматриваются как термодинамические системы.

Различие между «полезными» обменами энергией и «диссипативной» энергией, теряемой необратимо, обуславливает собой фундаментальное понятие в первые введенное Клаузисом 1865 г., получившее название энтропия (S). В обосновании новой функции Клаузис отмечает: «Предлагаю величину (5) назвать энтропией от греческого (тролг|) — преобразование. Полезность этого определения основана на предположении о том, что любые два состояния могут быть связаны обратным преобразованием. Я специально так подобрал слово энтропия, чтобы оно было созвучно со словом энергия, так как эти две величины настолько сходны по своему физическому значению, что созвучие их названий кажется мне полезным».

Энтропия (преобразование) характеризует условия запасания и хранение энергии в рассматриваемой системе.

Энергия и энтропия характеризуют состояние рассматриваемой си- стегиы как на уровне локальной бассейновых геосистем, так и глобальной системы — биосфера.

При изучении природных систем, в частности локальных бассейновых геосистем, Ихмеющие свою эволюционную историю развития, важным понятием является время. Что такое время? Все происходящее объективно в природных системах может в определенной степени описано накопленными научньши знаниями и опытом.

Время течет в одном направлении — из прошлого в будущее. Время невозможно «повернуть назад», так как существует бесконечно высокий энтропийный барьер, который определяет разрешенные начальные состояния от запрещенных. Барьер этот никогда не будет преодолен техническими прогрессами и связанной с ним многогранной хозяйственной деятельностью. Этот энтропийный барьер бесконечно

высок, и по этой причине невозможно создать машину времени, которая смогла бы перенести нас в прошлое. Энтропийный барьер в определенной степени напоминает нам барьер скорости света. Технический прогресс может только приближать нас к скорости света, но согласно современным физическим представлениям об окружающем нас мире, мы никогда не сможем превзойти ни скорости света, ни энтропийный барьер.

Время — это сотворение нового или вообще ничего. Природа — изменение, непрерывное сотворение нового, целостность, создаваемая в открытом по существу процессе развития без определенной модели. Жизнь развивается и делится во времени. Окружающая нас природная среда, в которой непрерывно взаимодействуют между собой живое и косное вещество, претерпевает то усиливающееся, то уменьшающиеся изменения под воздействием хозяйственной деятельности. Характер этих изменений в подавляющем своем количестве определяется необратимыми процессами.

Все необратимые процессы сопровождаются производством энтропии. Производство энтропии не может изменять знак во времени.

(2.16)

где deS — относится к обмену энергией с внешней средой; diS — относится к необратимым процессам.

Для понимания особенности такого разложения приращения энтропии целесообразно рассмотреть аналогичные рассуждения применительно к энергии.

Обозначая энергию через Е, тогда ее приращение dE за интервал времени dt. По аналогии с энтропией выразим приращение энергии dE.

dE = deE + diE,

где deE — обмен энергией с внешним миром; diE — внутреннее производство энергии.

Но закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) утверждает, что энергия никогда не «производится», а только преобразуется из одной формы в другую. Следовательно, полное приращение энергии lt;1Е сводится к deE. Следовательно, из этого вытекает важный вывод, отражающий специфическую особенность второго закона термодинамики, которая заключается в том, что diS, описывающий производство энтропии, всегда положителен, т. е. производство энтропии отражает необратимость происходящих изменений внутри системы.

Важной вехой в развитии человеческой цивилизации, как утверждает история развития научной мысли, является освоение природной асимметрии, которая обусловливается в преобразовании теплоты в работу. Освоение природной асимметрией позволило овладеть энергией, которая запасена в рахшчных видах топлива, и извлекать из них движущую силу, которая способствует развитию хозяйственной деятель ности и, соответственно, удовлетворению растущих потребностей общества.

Использование асимметрии природных процессов позволило чело вечеству решить фундаментальную задачу, связанную с выделением упорядоченного движения из неупорядоченного, что обусловливает отличие работы от теплоты.

Работа — это упорядоченное движение, которое характеризуется процессами преобразования теплоты. В процессе преобразования теплоты в работу не вся теплота преобразуется в работу, т. е. природа за такое преобразование берет «налог». Полученную работу используют в различных целях без всякого налогообложения. Природа признает эва- люционность теплоты и работы, за это берет налог всякий раз, когда происходит преобразование теплоты в работу. Понятие теплоты и работы характеризует способ передачи энергии. Теплота — это один из способов передачи энергии. Работа — это то, что мы совершаем, когда нам необходимо тем или иным способом изменить энергию объекта, не используя при этом разность температур.

Второй закон термодинамики утверждает, что полностью преобра зовать теплоту в работу невозможно, а работу можно полностью преобразовать в теплоту. Фундаментальность такой природной асимметрии обусловливается тем, что работа и теплота, с одной стороны, являются эквивалентными в качестве способов передачи энергии, а с другой стороны — не вполне эквивалентны во взаимных переходах друг в друга.

Невозможен переход энергии от более холодного тепла к более горячему. Исходя из природной асимметрии перехода теплоты в работу и работы в теплоту первый закон термодинамики утверждает, что теплоту можно преобразовать в работу, а второй закон термодинамики утверждает, что это возможно только при абсолютном нуле температур. Третий закон термодинамики утверждает, что абсолютный нуль недостижим.

В природе энтропия всегда стремится к росту, но при этом «качество» энергии ухудшается, что важно учитывать в оценке воздействия объектов деятельности на окружающую среду.

Согласно второму закону термодинамики энергия постоянно стремится к рассеиванию. Поэтому естественные процессы в природе всегда сопровождаются процессами рассеивания или диссипации энергии. Это объясняется тем, что все события в реальном мире происходят таким путем, что запасы энергии переходят к хаосу. Любое самопроизвольное изменение сопровождается возрастанием энтропии, откуда следует, что энтропия — это мера беспорядка, хаоса. Естественный ход процессов в природе соответствует понижению качества энергии. Отсюда следует, что высокое качество энергии отражает отсутствие беспорядка или хаоса. Энергия высокого качества — это механизированная, сконцентрированная, к примеру, в куске угля или ядре урана. Высоким качеством обладает энергия, запасенная в упорядочном движении атомов, молекул, частиц и т. п., к примеру, в потоке воды. В системном понимании создаваемые водохранилищные гидроузлы концентрируют в себе значительные запасы потенциальной энергии водного потока, а также способствует большому накоплению солнечной энергии в водной массе, которая используется в различных целях.

Имея общее представление о базовых понятиях, связанных с материей, энергией, энтропией, временем, теплотой и работой, можно перейти к понятию состояние системы. В термодинамическом понимании состояние системы характеризуется ее энергетическим изменением, а энергетическое изменение системы определяется физическим свойством — энтропией. В упорядоченном виде, энтропия является мерой энергетического состояния, упорядоченности, стремления к равномерному распределению слагающих систему элементов, компонентов, структурных образований.

В обобщенном понимании состояние системы можно изменить только двумя способами — это путем ввода определенного количества тепла (Q) или путем совершения определенной работы (А). Происходящие изменения в рассматриваемой системе характеризуются понятиями энергия и энтропия, т. е. энергия и энтропия взаимосвязаны. Взаимосвязь энергии и энтропии характеризует условия запасания энергии протекает при высокой температуре системы, изменения энтропии будет не большим, а качество запасаемой энергии будет высокой. Если процесс запасания энергии протекает при низкой температуре системы, к примеру, как в пространственных пределах бассейновой геосистемы, то изменение энтропии будет большим, а качество запасаемой энергии будет низким. Таким образом, возрастание энтропии в системе является характерным признаком протекания естественных процессов и запасания энергии более низкого качества. Энергия более «высо кого качества» всегда более когерентна, чем тепло, и всегда может быть превращена в тепло, но обратное невозможно. Следует отметить, что тепло отражает самую стабильную форму энергии, к которой стремят ся все известные формы энергии (электрическая, химическая, механическая и др.).

При необратимых процессах, которые превалируют в природных системах и ПТС «Природная среда — Объект деятельности — Население» , энтропия только возрастает. В обратимых процессах, которые редко наблюдаются в природных системах и ПТС «Природная среда — Объект деятельности — Население», энтропия остается постоянной.

Используя специфическую природную особенность взаимосвязи энергии и энтропии при изучении как природных систем, так ПТС «Природная среда — Объект деятельности — Население» в дальнейшем эту взаимосвязь будем рассматривать как «энерго-энтропийную методологию».

Так, рассматривая к примеру бассейновую геосистему, при максимальном значении энтропии в системе нет необходимого количества энергии для совершения необходимой работы в целях поддержания ее функциональной работоспособности, т. е. данная система движется к равновесию или деградации. При минимальном значении энтропии в системе энергии дтя совершения различных видов работ остается .максимальное количество и при этом система функционально может развиваться.

Если полное значение энергии системы обозначить isnoTr, а минимальное значение энергии то получаемое значение «свободной энергии»              которое выражается разностью между максимальной — пол

ной и минимальной значениями энергии:

откуда

(2.19)

Минимальное значение энергии Ет1хг принято называть «связной энергией». Следовательно, полная или максимальная энергия системы состоит из части «сводной энергии» (?'сво6), за счет которой можно совершать работу {А), и связной энергии              , которая непригодна для со

вершения какой нибудь работы в системе. Схематично баланс полной энергии Етл можно представить в виде схемы (рис. 2.6).

В зависимости от баланса состояния «сводной» и «связной» определяется состояние системы. Чем больше значение «свободной» энергии (Е ), тем выше работоспособность или производительность системы. Поэтому изучение бассейновых геосистем очень важно правильно определять «полную» (?по1), «свободную» (Е^) и «связную» (2Гсвяз) энергии системы.

Энтропия характеризует ту часть полной энергии системы (рис. 2.6), которая не может быть использована для производства работы. В отличии от «свободной» энергии (^сво6) «связная» энергия (Есвяз) представляет собой деградированную, отработанную (низкого качества) энергию, определяемую уровнем энтропийности системы. Чем выше энтропия системы, тем большую часть от полной энергии системы составляет «связная» энергия (Ест1)- Энтропия как особая физическая величина характеризует направленность протекающих процессов в системе, то есть параметр времени должен учитываться по разному в обратимых и необратимых процессах.

Определение энтропии строится так, что при естественных изменениях энтропия возрастает, а при противоестественных — понижается.

Естественные процессы в природных системах и, соответственно, в бассейновых геосистемах характеризуются взаимодействием биотических и абиотических компонентов между собой при непрерывном поступлении потоков сводной энергии (^снод) приходящий из Космоса в виде солнечной радиации.

Противоестественные процессы обусловливаются в основном многогранной хозяйственной деятельностью, когда в естественные процессы взаимодействия между биотическими и абиотическими компонентами (структурными образованиями) включаются техногенные компоненты в виде различных объектов деятельности, потребляющие природные ресурсы безвозвратно использующие с возвратом.

В обобщенном виде приращение энтропии в системе выражается отношением количества тепла (0, поступающего в систему, к начальной температуре данной системы (7).

(2.20)

Применительно к бассейновым геосистемам, в пространственных пределах которых протекают многогранные виды хозяйственной деятельности, изменение энтропии согласно формуле (2.19) выражается разностью между полной энергии (7Гпол) геосистемы и сводной энергии (^данной геосистемы, которая дает количественное значение связ- ной энергии

Так, если рассматривать бассейновую геосистему, в которой ведутся различные виды хозяйственной деятельности, то энтропию данной системы можно объяснить в терминах различия макро— и микросостояния отдельного элемента системы (русла реки, поймы русла, почвенного покрова прибрежной полосы и т. п.). Описывая физическое состояние пространственных пределов рассматриваемой бассейновой геосистемы используют макрохарактеристики — температуру, относительную влажность, скорость движения воздушных масс, средне многолетние расходы воды в рассматриваемом створе реки и другие общие свойства, характерные для данной бассейновой геосистемы.

Микросостояние отдельного элемента, структурного образования бассейновой геосистемы специфицирует по определенному показателю его состояние на общем фоне макросостояния пространственных пределов рассматриваемой бассейновой геосистемы. В пространственных пределах рассматриваемой бассейновой геосистемы наблюдается множество микросостояний отдельных элементов, структурных образований, которые, в конечном счете, обусловливают какое-то единственное макросостояние бассейновой геосистемы. Таким образом, макросостояние бассейновой геосистемы определяется множеством микросостояний отдельных элементов и структурных образований, входящих в данную систему. В качестве отдельного элемента и структурного образования в рассматриваемой бассейновой геосистеме может приниматься как природный компонент, так и технический компонент.

При изучении бассейновых геосистем на уровне отдельного природного элемента или структурного образования можно принимать лесной массив на водосборной территории, отдельные виды животного мира, отдельные участки почвенного покрова, отдельные элементы гидрографической речной сети, приземные слои атмосферы, верхние слои литосферы в зоне влияния объекта деятельности. В качестве определенных техногенных элементов в рассматриваемых бассейновых геосистемах могут рассматриваться части объектов деятельности. К примеру, при использовании водных ресурсов для целей выработки электрической энергии на ГЭС в качестве отдельного техногенного элемента или структурного образования из общего комплекса сооружений и

зданий может выступать водохранилище, плотина из грунтовых материалов, водосбросное сооружение, водозаборное сооружение, деривационные водопроводяшие сооружения, нижний и верхний бьефы водоподпорного гидроузла, здания ГЭС и т. п.

Как можно заметить, совокупность микросостояний природных элементов, структурных образований значительно превосходит совокупность микросостояний техногенных элементов в рассматриваемых пространственных пределах бассейновой геосистемы. Совокупность микросостояний природных и техногенных элементов под воздействием непрерывных потоков солнечной энергии обусловливают собой макросостояние рассматриваемой бассейновой геосистемы. Макросостояние бассейновой геосистемы определяет вектор развития данной системы. Если макрососгояние бассейновой геосистемы обуславливается значительным превосходством совокупности микросостояний природных элементов, то дальнейшее эволюционное развитие системы будет носить естественный характер.

Естественный или природный характер развития бассейновой геосистемы обуславливается естественной интенсивность роста энтропии, так как энтропия характеризуется числом различных микросостояний природных элементов, структурных образований, которые соответствуют одному и тому же макросостоянию рассматриваемой бассейновой геосистемы.

Макросостояние бассейновой геосистемы определяется потоками энергии, поступающими из внешней среды, главным образом солнечной энергии, приходящей из Космоса.

Исходя из первоначального определения понятия энтропия, данного Клаузисом еще в XIX веке, и последующих толкований этого понятия в термодинамическом направлении изучения природных систем, а также теоретических исследований данного вопроса, приводимых в работах И. Пригожина, для изучения процессов взаимодействия природных (биотических, абиотических) компонентов с объектами хозяйственной деятельности, связанных с использованием водных ресурсов и защитой от негативного воздействия природных вод, которые протекают в пространственных пределах локальных бассейновых геосистем, понятие энтропии сформулировано в виде: «Энтропия — это производное понятие от понятия «состояние системы». Энтропия характеризует степень вариативности состояния структурных образований (биотических,

абиотических и техногенных компонентов) бассейновой геосистемы. Качественно, чем выше энтропия, тем в большем числе отдельные элементы, компоненты н структурные образования могут находится в состоянии тенденции роста связной энергии              которая обусловливает снижение их

функциональной эффективности, выраженной коэффициентом полезного действия (КПД) использования свободной энергии)».

Энтропия бассейновой геосистемы характеризуется числом различных микросостояний отдельных элементов, структурных образований, которые соответствуют определенному макросостоянию рассматриваемой бассейновой геосистемы. Математически энтропия есть произведение числа макросостояний (т^) на логарифм этого числа. Энтропия обладает тенденцией возрастать со временем Любое изменение системы ведет ее в состояние с более высокой энтропией на основе простых вероятностей принципов. Тенденция бассейновой геосистемы эволюционировать под воздействием природных процессов и хозяйственной деятельности в направлении с более вероятным состоянием и, соответственно, с более высокой энтропией, обусловливает собой «стрелу времени».

Состояние природной системы, в том числе и рассматриваемые локальные бассейновые геосистемы, определяется, как уже отмечалось, балансовым соотношением свободной энергии (^своб) и связной энергии (7:J. Переход одной части энергии (Есвз) обусловливается диссипативными процессами, т. е. качественная энергия (свободная) переходит в энергию более низкого качества, которая непригодна для совершения каких-нибудь видов работ. И наоборот, когда часть энергии, представляющая собой свободную энергию (Е^), имеет тенденцию к росту (увеличению), то наблюдается антцдиссипативный процесс, т. е. качественная энергия увеличивается, а энергия низкого качества, отражающая энергию, имеет тенденцию к уменьшению. Такое понимание возможных процессов обусловливает «состояние системы» и, соответственно, понятие «энтропия».

Энтропия характеризует направленность протекающих процессов в системе, которые в самом общем виде подразделяются на обратимые и необратимые.

Категории, обусловливающие состояние системы, дифференцируются на равновесные, близкие и далекие от равновесия.

Равновесное состояние системы характеризуется тем, что определяющие параметры системы, например, температура, атмосферное давление и др.), не изменяются со временем. Потоки вещества, энергии и информации выровняли различие в их концентрации, температуре. Элементы системы неупорядочены и случайно перемешаны, а сама система однородна и динамически инертна. В бассейновых геосистемах даже самого низкого иерархического уровня равновесное состояние мало вероятно, так как параметры, определяющие жизнедеятельность данной системы (температура, гидрологический режим водотока и др.), имеют переменный характер.

Неравновесное состояние системы характеризуется изменением со временем ее основных параметров. Неравновесное состояние рассматриваемой системы может быть выражено слабо или весьма сильно.

В слабо неравновесных системах находящихся в близи равновесия, наблюдаются незначительные различия в температуре, концентрации вещества. Внутренняя структура не хаотична, а сама система не инертна. Такие системы стремятся перейти к равновесному состоянию, как только устраняются или ослабевают связи, удерживающие систему в неравновесном состоянии. Слабо неравновесные системы переходят в равновесное состояние, когда прямые и обратные реакции статистически компенсируют друг друга и имеющиеся градиенты концентрации исчезают, что обуславливают системное равновесие. При достижении равновесного состояния в системе выполнение работы и, соответственно, производство энтропии прекращается. В равновесном состоянии производство энтропии, действующие силы и потоки вещества, энергии равны нулю.

В системах, находящиеся в близи равновесного состояния, производство энтропии мало, действующие силы слабы, а потоки являются линейными функциями от сил. Следовательно, состояние в близи равновесия характеризуется как линейное неравновесное, которое описывается линейной термодинамикой с тенденцией к максимальной диссипации свободной (Енаивысшему уровню (,dS) энтропии.

Системы в слабо нелинейном состоянии в пределе переходят в состояние, характеризуемое наименьшей свободной энергией и максимальной энтропией.

Системы, в которых наблюдаются значительные изменения градиентов концентрации и теплоты, относятся к категории сильно нерав-

новесных. В таких системах не наблюдается стремление к минимально свободной энергии и максимально удельной энтропии, но имеется тенденция к усилению определенных ситуаций и перехода в новый динамический режим, который радикально отличается от стационарных равновесных или слабо равновесных состояний.

Неравновесные системы относятся к открытым системам, и поэто му изменение энтропии в них определяется не однозначно с характерными необратимыми внутренними процессами. Внутренние процессы, протекающие в неравновесных системах, не подчиняются в полной мере второму закону термодинамики.

В неравновесных системах свободная энергия, единожды затраченная, не способна более выполнять работу. Но необходимое количество свободной энергии для совершения различных видов работы может быть «импортировано» из окружающей внешней среды от природных источников или хозяйственной деятельности. Через границы открытой системы осуществляется перенос свободной энергии или отрицательной энтропии.

Изменение энтропии в неравновесных системах определяется известным уравнением И. Пригожина [ ]:

(2.22)

где dS— полное изменение энтропии в системе за период времени dt;

diS — изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами внутри системы или производством энтропии;

deS — энтропия, импортированная из окружающей внешней среды.

Согласно второму закону термодинамики, diS всегда положительна, deS может быть и положительной, и отрицательной величиной (рис. 2.7).

В общем случае необратимое изменение ^//5связано с потоками некоторой величины dxy например теплоты dQ (энергии Солнца) или вещества dN(жидкого, твердого стока) за время dt.

Изменение энтропии в системе можно представить в виде:

(2.23)

где F— обобщенная (термодинамическая) сила, которая выражается в виде функций переменных — температуры, концентрации, действующего напора и т. п.

Необратимые процессы, которые наблюдаются в природных системах, можно описать при помощи обобщенных сил (F) и потоков (Л). Изменение энтропии в системе выразится как сумма всех изменений, вызванных необратимыми потоками dx, и в обобщенном виде можно представить:

(2.24)

Неравенство (2.24) в обобщенном виде выражает второй закон термодинамики, где энтропия системы в каждом необратимом процессе равна произведению обобщенной термодинамической силы Fи потока

Обмен энтропией deS с внешней средой (рис. 2.6) выражается через потоки теплоты (dQ) и вещества (dN).

Для изолированных систем deS = 0 и diS gt; 0.

Для закрытых систем, которые обмениваются с внешней средой энергией, но не веществом, первый и второй законы термодинамики выражаются соотношениями:

где deSвещества означает обмен энтропией, обусловленной потоками вещества. Для водного объекта потоки вещества обусловливаются процессами водной и химической эрозии на водосборной территории и сбросами сточных вод с урбанизированных территорий (промышленные предприятия, систем водоотведения и т. п.).

Обобщая вышеизложенное можно отметить, что для закрытых, изолированных и открытых систем производство энтропии внутри системы diS всегда положительно или равно нулю, т. е. diS gt; 0, выражающее обобщенную формулировку второго закона термодинамики. Такая формулировка второго закона термодинамики применима не только ко всей системе, но и ко всем подсистемам, что очень важно для открытых бассейновых геосистем, включающих в себя множество подсистем.

Для бассейновых геосистем изменение энергии и энтропии содержит дополнительный вклад от потока вещества и для определения значений dE и deS требует дополнительного изучения конкретной системы.

Рассмотренные определения и основные элементы термодинамического подхода к изучению природных систем позволяют рассматривать бассейновые геосистемы с учетом современных достижений научных знаний в области системного исследования процессов взаимодействия природных и техногенных компонентов, в которых важное место занимают понятия энергии, энтропии и времени.

Для изолированных систем, в которых отсутствует обмен с внешней средой deS = 0, а с учетом уравнения (2.25) dS = diS gt; 0. Таким образом для открытых неравновесных систем второй закон термодинамики выражается в более обобщенной формулировке в виде diS/dt gt; 0. До тех пор пока diS положительно, в системе будут протекать непрерывно необратимые процессы. Неравенство diS gt; 0 эквивалентно условию дис- сипативности системы, а при diS= 0 характеризуется обратимостью протекающих процессов, что в природных системах невозможно.

Когда величины свободной энергии внутри системы и свободной энергии, поступающей через границы системы из окружающей среды,

находятся в равновесии и компенсируют друг друга, то система в этом случае переходит в неизменное стационарное состояние. Но в реальном мире системы находятся в динамической среде, и равенство величин свободной энергии внутри системы и свободной энергии, поступающей из окружающей среды, мало вероятно. Неравновесные системы имеют тенденцию функционировать (отклоняться) относительно своих стационарных состояний, а не пребывать в стационарном состоянии.

Степень вариантности состояния структурных образований в рассматриваемой бассейновой геосистеме обуславливается тем, что данная система состоит из множества структурных образований в виде многообразия растительного и животного миров, климата, почвенного покрова, гидрографической сети, воздушной среды в приземных слоях атмосферы, геологической среды и др., а также объектов деятельности (водохранилищные гидроузлы, комплексы гидротехнических сооружений и т. п.). На каждое структурное образование объект деятельности воздействует по-разному и, соответственно, энерго-энтропийное состояние будет разным, что и обусловливает вариативность состояний.

Качественная характеристика состояний как отдельных структурных образований, так и рассматриваемой системы в целом определяется уровнем энтропии (5) или балансовом соотношении свободной (# б) и связной (Есвз) частей энергии. Если превалирует связная {Есъ) часть энергии, выражающая энтропию (S), то большее количество структурных образований в рассматриваемой системе будет иметь направленность в своем функционировании в сторону снижения их работоспособности и функциональной эффективности, которая выражается коэффициентом КПД (г|), определяемого выражением:

(2.26)

Методология изучения внутрисистемных процессов бассейновых геосистем базируется на теории открытых систем, которая была сформулирована во второй половине прошлого столетия И. Пригожиным. Исходя из концегщии необратимых процессов были разработаны теоретические основы неравновесной нелинейной термодинамики, в которых понятие закрытых систем сменилось на принципиально иное основополагающее понятие открытой системы, имеющей способность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

На основе анализа различных природных моделей можно отметить, что иерархическая структура природы направлена на снижение общей энтропии Вселенной, но динамика взаимодействий между природными компонентами направлена на естественный рост энтропии. Взаимодействие этих двух тенденций собственно и определяет эволюционное развитие физического мира, которое наблюдается в живых организмах и в природных макро системах типа бассейновой геосистемы. В биологических системах — живых организмах — процессы размножения, мутаций и рекомбинаций направлены на увеличение энтропии, а процессы агрегации — молекул в клетки, клеток в организмы, организмов в сообщества, направлены на уменьшение энтропии. В природных макросистемах типа бассейновых геосистем можно отметить подобные тенденции. Так естественные процессы, протекающие в рамках бассейновых геосистем, где взаимодействуют между собой только природные биотические и абиотические компоненты, характеризуются увеличением энтропии. Введение в такую систему техногенных компонентов, в виде водохранилищных гидроузлов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий и т. п., в которых сконцентрированы определенные потенциалы свободной энергии ?’сво6, обусловливает уменьшение энтропии. Взаимодействие природных компонентов между собой в рамках бассейновых геосистем характеризуется сбалансированностью протекающих процессов, ведущих к росту энтропии, а хозяйственная деятельность, связанная с процессами обмена концентрации свободной энергии в зданиях, сооружениях, оборудовании и т. п., уменьшает энтропию.

Открытая система при своем функционировании потребляет из окружающей внешней среды вещество, энергию, информацию и одновременно выводит во внешнюю среду использованное вещество, отработанную энергию в виде связной энергии (?ю), которая обусловливает собой энтропию. Бассейновые геосистемы, относящихся к классу открытых локальных систем, функционируют под воздействием непрерывных потоков лучистой энергии Солнца, поступающей в пространственные пределы системы из Космоса. В количественном отношении солнечная энергия занимает доминирующую роль, в сравнении с другими потоками энергии поступающими в бассейновую геосистему от других источников: геотермальная, приливов и отливов, хозяйственной деятельности и др. Геотермальная, обусловливающаяся горячими источниками, энергия приливов и отливов на пространственных просторах Российской Федерации , могут быть использованы на весьма локальных участках бассейновых геосистем. Поэтому среди других внешних энергетических источников, от которых потоки энергии поступают в пространственные пределы бассейновой геосистемы, является хозяйственная деятельность. Хозяйственная деятельность обусловливает собой практически все многообразие преобразований одних форм энергии в другие формы, удобные для практического использования. Преобразование одних природных химических элементов в различные химические вещества, количество которых достигло уже более 7 млн, из которых используется порядка 60 тыс.

Преобразованные формы энергии и вещества как поступают из внешней среды в пространственные пределы бассейновой геосистемы, так и выводятся из рассматриваемой системы во внешнюю среду. Потоки вещества, энергии, обусловленные хозяйственной деятельностью, в количественном отношении могут быть определены поданным ежегодных статистических отчетов, которые составляются субъектами Российской Федерации.

Хозяйственная деятельность, проводимая в пространственных пределах бассейновой геосистемы в самом обобщенном виде, обусловливает тенденцию к росту энтропии. Рост энтропии обусловливается процессами преобразования одних форм энергии в формы энергии, которые требуются для или иных технологических процессов. К примеру, преобразования энергии водного потока речной гидрографической сети в электрическую энергию, которая является наиболее удобной к использованию в различных сферах хозяйственной деятельности. Преобразование потенциальной энергии водного потока в электрическую энергию сопровождается диссипативными процессами, обусловливающие собой производство энтропии. Количественное выражение диссипации энергии определяется коэффициентом полезного действия (КПД), а для рассматриваемого примера КПД находится в пределах 0,68—0,75. Следует отметить, что КПД в преобразовании энергии водного потока в электрическую энергию является наиболее высоким в сравнении с другими технологиями преобразования видов энергии.

Хозяйственная деятельность в промышленном и сельскохозяйственном производстве в обобщенном виде связана с созданием и практическим использование м многообразных технологий по преобразованию химических элементов, веществ и форм энергии, что сопровождается производством энтропии, которую целесообразно использовать как

«техногенную энтропию». Таким образом, наряду с естественными процессами производства энтропии, обусловливаемой процессами взаимодействия природных компонентов между собой (биотических, абиотических), непрерывно протекают процессы хозяйственной деятельности, производящие «техногенную энтронию». Качественно техногенная энтропия отражает уровень совершенства используемых технологий в хозяйственной деятельности, которые в количественном отношении выражаются коэффициентом полезного действия (КПД). КПД той или иной технологической схемы, процесса отражает эффективность использования свободной энергии (/Гсв6) и определяется Асвб к полной энергии (Епт), которая поступает на входе в систему

(2.27)

«Техногенная энтропия», как и энтропия, обусловливаемая естественными процессами, характеризует условия преобразования и хранения энергии в системе.

Изменение энтропии в системе (бассейновой геосистемы) и окружающей ее среды (биосферы Земли) в обобщенном виде отражает прошлое, настоящее и будущее в рассматриваемой системе. Исходя из второго закона термодинамики можно отметить, что Вселенная как единое целое не может вернуться в начальное состояние, которое было до большого взрыва, что в полной мере относится и к биосфере Земли и ее локальных подсистем — бассейновых геосистем.

Естественные процессы в природе, например, круговорот воды и других веществ в природе, фотосинтез в растительном мире и т. п., всегда сопровождаются рассеиванием или диссипацией энергии, что обусловливает естественное возрастание энтропии. Возрастание энтропии сопровождается снижением «Качества» энергии, т. е. преобразование качественной свободной энергии (Е^) в связанную энергию (Е ) с более низким качеством, которая определяет в системе хаос. Энергия высокого качества характеризует отсутствие хаоса в системе, где она сконцентрирована и способна выполнять работу. В пространственных пределах бассейновой геосистемы характерным примером концентрации энергии является водохранилище, которое вбирает в себя энергию водотоков гидрографической сети, расположенной выше створа напорного фронта гидроузла. Наряду с концентрированным запасом потен-

циальной энергии, водохранилище является аккумулятором солнечной энергии, которая накапливается в водной массе воды в виде тепла. Следовательно, при системном подходе в оценке воздействия водохрани- лищного гидроузла на окружающую среду можно отметить, что водохранилище вносит дополнительно в бассейновую геосистему определенное количество качественной энергии, способной выполнять работу, связанную с преобразованием форм энергии.

Если коэффициент полезного действия меньше единицы, следовательно, наблюдается тенденция роста энтропии. Величина изменения энтропии равна нулю, если коэффициент полезного действия будет 100%. По этой причине всякое повышение коэффициента полезного действия в рассматриваемой системе может осуществляться только путем совершенствования используемых технологий, т. е. привлечением творческого труда, ориентированного на уменьшение темпа роста энтропии. Таким образом, хозяйственная деятельность, связанная с использованием водных ресурсов и защитой от негативного воздействия природных вод в пространственных бассейновых геосистем, должна быть ориентирована на снижение темпов роста энтропии. Снижение темпов роста энтропии в рассматриваемой системе способствует более устойчивому развитию данной системы.