健康管理師三級(jí)：研究能量傳遞規(guī)律的熱力學(xué)定律

    （二）熱力學(xué)第二定律

    熱力學(xué)第二定律表達(dá)有關(guān)能量傳遞方向和轉(zhuǎn)換效率的規(guī)律。

    熱力學(xué)第二定律是對(duì)能量傳遞和轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要概括，通俗地說就是：在能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程中，除了一部分可以繼續(xù)傳遞和作功的能量（自由能）外，總有一部分不能繼續(xù)傳遞和作功而以熱的形式消散的能量，這部分能量使熵和無序性增加。以蒸汽機(jī)為例，煤燃燒時(shí)一部分能量轉(zhuǎn)化為蒸汽能推動(dòng)機(jī)器作了功，另一部分能量以熱的形式消散在周圍空間而沒有作功，只是使熵和無序性增加。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)來說也是如此，當(dāng)能量以食物的形式在生物之間傳遞時(shí)，食物中相當(dāng)一部分能量被降解為熱而消散掉（使熵增加），其余則用于合成新的組織作為潛能儲(chǔ)存下來。所以一個(gè)動(dòng)物在利用食物中的潛能時(shí)常把大部分轉(zhuǎn)化成了熱，只把一小部分轉(zhuǎn)化為新的潛能。因此能量在生物之間每傳遞一次，一大部分的能量就被降解為熱而損失掉，這也就是為什么食物鏈的環(huán)節(jié)和營養(yǎng)級(jí)的級(jí)數(shù)一般不會(huì)多于5～6個(gè)以及能量金字塔必定呈尖塔形的熱力學(xué)解釋。

    熵（entropy）是系統(tǒng)熱量被溫度除后得到的商，在一個(gè)等溫過程中，系統(tǒng)的熵值變化（△S）為：

    △S=△Q/T

    式中，△Q 為系統(tǒng)中熱量變化（焦耳），T是系統(tǒng)的溫度（K）。

    若用熵概念表示熱力學(xué)第二定律，則①在一個(gè)內(nèi)能不變的封閉系統(tǒng)中，其熵值只朝一個(gè)方向變化，常增不減；②開放系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)的一切過程使系統(tǒng)熵值與環(huán)境熵值之和增加。

    生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，它們不斷地與周圍的環(huán)境進(jìn)行著各種形式能量的交換，通過光合同化，引入負(fù)熵；通過呼吸，把正熵值轉(zhuǎn)出環(huán)境。

    開放系統(tǒng)（同外界有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)）與封閉系統(tǒng)的性質(zhì)不同，它傾向于保持較高的自由能而使熵較小，只要不斷有物質(zhì)和能量輸入和不斷排出熵，開放系統(tǒng)便可維持一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。生命、生態(tài)系統(tǒng)和生物圈都是維持在一種穩(wěn)定狀態(tài)的開放系統(tǒng)。低熵的維持是借助于不斷地把高效能量降解為低效能量來實(shí)現(xiàn)的。在生態(tài)系統(tǒng)中，由復(fù)雜的生物量結(jié)構(gòu)所規(guī)定的“有序”是靠不斷“排掉無序”的總?cè)郝浜粑鼇砭S持的。熱力學(xué)定律與生態(tài)學(xué)的關(guān)系是明顯的，各種各樣的生命表現(xiàn)都伴隨著能量的傳遞和轉(zhuǎn)化，象生長、自我復(fù)制和有機(jī)物質(zhì)的合成這些生命的基本過程都離不開能量的傳遞和轉(zhuǎn)化，否則就不會(huì)有生命和生態(tài)系統(tǒng)?？傊?，生態(tài)系統(tǒng)與其能源太陽能的關(guān)系，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間及捕食者與獵物之間的關(guān)系都受熱力學(xué)基本規(guī)律的制約和控制，正如這些規(guī)律控制著非生物系統(tǒng)一樣。熱力學(xué)定律決定著生態(tài)系統(tǒng)利用能量的限度。

    事實(shí)上，生態(tài)系統(tǒng)利用能量的效率很低，雖然對(duì)能量在生態(tài)系統(tǒng)中的傳遞效率說法不一，但最大的觀測(cè)值是30%，一般說來，從供體到受體的一次能量傳遞只能有5～20%的可利用能量被利用，這就使能量的傳遞次數(shù)受到了限制，同時(shí)這種限制也必然反映在復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上（如食物鏈的環(huán)節(jié)數(shù)和營養(yǎng)級(jí)的級(jí)數(shù)等）。由于物質(zhì)的傳遞并不受熱力學(xué)定律的限制，因此生物量金字塔和數(shù)量金字塔有時(shí)會(huì)表現(xiàn)為下窄上寬的倒塔形，但這并不意味著高營養(yǎng)級(jí)生物所利用的能量會(huì)多于低營養(yǎng)級(jí)生物所傳遞的能量。

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