公共營養(yǎng)師三級(jí)資料之研究能量傳遞規(guī)律的熱力學(xué)定律

　　能量是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。一切生命活動(dòng)都伴隨著能量的變化，沒有能量的轉(zhuǎn)化，也就沒有生命和生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一就是能量流動(dòng)，能量在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律服從熱力學(xué)的兩個(gè)定律。$lesson$

　　(一)熱力學(xué)第一定律轉(zhuǎn)自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　熱力學(xué)第一定律可以表述如下：“在自然界發(fā)生的所有現(xiàn)象中，能量既不能消滅也不能憑空產(chǎn)生，它只能以嚴(yán)格的當(dāng)量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式”。因此熱力學(xué)第一定律又稱為能量守恒定律。

　　依據(jù)這個(gè)定律可知，一個(gè)體系的能量發(fā)生變化，環(huán)境的能量也必定發(fā)生相應(yīng)的變化，如果體系的能量增加，環(huán)境的能量就要減少，反之亦然。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)來說也是如此，例如，生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用所增加的能量等于環(huán)境中太陽所減少的能量，總能量不變，所不同的是太陽能轉(zhuǎn)化為潛能輸入了生態(tài)系統(tǒng)，表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)對(duì)太陽能的固定。

　　人們都知道，非生命自然界發(fā)生的變化都不必借助外力的幫助而能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，熱力學(xué)把這樣的過程稱為自發(fā)過程或自動(dòng)過程。例如，熱自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，直到兩者的溫度相同為止。而與此相反的過程都不能自發(fā)地進(jìn)行，可見自發(fā)過程的共同規(guī)律就在于單向趨于平衡狀態(tài)，決不可能自動(dòng)逆向進(jìn)行?；蛘哒f任何自發(fā)過程都是熱力學(xué)的不可逆過程。應(yīng)當(dāng)指出的是：不應(yīng)把自發(fā)過程理解為不可能逆向進(jìn)行，問題在于是自動(dòng)還是消耗外功，借助外功是可逆向進(jìn)行的。例如，生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解為簡單的無機(jī)物質(zhì)是一種自發(fā)過程，但無機(jī)物質(zhì)決不可能自發(fā)地合成為有機(jī)物質(zhì)，借助于外功太陽能卻可以實(shí)現(xiàn)，這就是光合作用，不過這不是自發(fā)或自動(dòng)的。既然任何自發(fā)過程總是單向趨于平衡狀態(tài)，決不可能自動(dòng)逆向進(jìn)行，由此可以推測體系必定有一種性質(zhì)，它只視體系的狀態(tài)而定而與過程的途徑(或進(jìn)行的方式)無關(guān)。可以大致打一個(gè)比喻：假定有水位差的存在，水自動(dòng)地從高水位流向低水位的趨向必定存在，但水流是快是慢顯然都不可能改變水向低水位方向流動(dòng)的自發(fā)傾向。這就是說，要研究給定的始態(tài)和終態(tài)條件下自發(fā)過程的方向，可以不考慮過程的細(xì)節(jié)和進(jìn)行的方式。為了判斷自發(fā)過程進(jìn)行的方向和限度，可以找出能用來表示各自發(fā)過程共同特征的狀態(tài)函數(shù)。熵(entropy)和自由能就是熱力學(xué)中兩個(gè)最重要的狀態(tài)函數(shù)，它們只與體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)而與過程的途徑無關(guān)。

　　(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。轉(zhuǎn)自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　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)。總之，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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