Принцип максимальной мощности - Maximum power principle

Принцип максимальной мощности в Язык энергетических систем адаптировано из Odum and Odum 2000, p. 38

В принцип максимальной мощности или же Принцип Лотки[1] был предложен в качестве четвертого принцип энергетики в открытая система термодинамика, где примером открытой системы является биологическая клетка. В соответствии с Ховард Т. Одум «Можно сформулировать принцип максимальной мощности: во время самоорганизации развиваются и преобладают конструкции систем, которые максимизируют потребление энергии, преобразование энергии и те виды использования, которые увеличивают производительность и эффективность».[2]

История

Чен (2006) обнаружил происхождение заявления о максимальной мощности как формального принципа в предварительном предложении Альфред Дж. Лотка (1922а, б). Заявление Лотки было попыткой объяснить дарвиновское понятие эволюции со ссылкой на физический принцип. Впоследствии работа Лотки была развита системный эколог Ховард Т. Одум в сотрудничестве с инженером-химиком Ричардом С. Пинкертоном, а затем разработал инженер Майрон Трибус.

Хотя работа Лотки, возможно, была первой попыткой формализовать эволюционное мышление в математических терминах, она последовала за аналогичными наблюдениями, сделанными Лейбниц и Вольтерра и Людвиг Больцман, например, во всей иногда противоречивой истории натурфилософии. В современной литературе это чаще всего ассоциируется с творчеством Говарда Т. Одума.

Значение подхода Одума получило большую поддержку в 1970-х годах, во времена нефтяной кризис, где, как заметил Гиллиланд (1978, стр. 100), возникла потребность в новом методе анализа важности и ценности энергетических ресурсов для экономического и экологического производства. Поле, известное как энергетический анализ, сам связан с чистая энергия и EROEI, возникла, чтобы удовлетворить эту аналитическую потребность. Однако в энергетическом анализе возникли серьезные теоретические и практические трудности при использовании единица энергии чтобы понять, а) переход между видами концентрированного топлива (или виды энергии ), б) вклад труда и в) вклад окружающей среды.

Философия и теория

Лотка сказал (1922b: 151):

Принцип естественного отбора оказывается способным дать информацию, которую первый и второй законы термодинамики не могут предоставить. Двух фундаментальных законов термодинамики, конечно, недостаточно для определения хода событий в физической системе. Они говорят нам, что определенных вещей не может произойти, но не говорят нам, что происходит.

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

Эта теория, выраженная в принципе максимальной мощности, решает эмпирический вопрос о том, почему системы любого типа или размера организуются в наблюдаемые закономерности. Такой вопрос предполагает, что функции системы регулируются физическими законами. Он не предполагает, например, 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 установленным законам термодинамики. В 1978 году Гиллиланд написал, что новый закон Одума еще не утвержден (Gilliland 1978, p. 101). Гиллиланд заявил, что в теории максимальной мощности эффективность второго закона Из термодинамики требовалась дополнительная физическая концепция: «концепция второго закона эффективности при максимальной мощности» (Gilliland 1978, стр. 101):

Ни первый, ни второй закон термодинамики не включают меры скорости, с которой происходят преобразования или процессы энергии. Концепция максимальной мощности включает время в меры преобразования энергии. 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 в качестве принципа для количественного описания избирательного закона биологического эволюция. Возможно, наиболее краткое изложение этой точки зрения Г.Т. Одумом было (1970, с. 62):

Лотка представил теорию естественного отбора как организатора максимальной власти; в условиях конкуренции выбираются системы, которые используют свою энергию в различных структурно-развивающих действиях, чтобы максимально использовать доступные энергии. Согласно этой теории системы циклов, потребляющие меньше энергии, теряют в сравнительном развитии. Однако Леопольд и Лангбейн показали, что потоки при разработке профилей эрозии, меандровых систем и сетей притоков рассеивают свою потенциальную энергию медленнее, чем если бы их каналы были более прямыми. Эти два утверждения могут быть согласованы с помощью принципа оптимальной эффективности и максимальной мощности (Odum and Pinkerton 1955), который указывает на то, что энергия, которая слишком быстро преобразуется в тепло, не предоставляется системам для собственного использования, потому что они не возвращаются через хранилища в полезные перекачивание, а вместо этого произвольное перемешивание окружающей среды.

Подход Одума – Пинкертона к предложению Лотки заключался в применении Закон Ома - и связанные теорема максимальной мощности (в результате электричество систем) - к экологическим системам. Одум и Пинкертон определили «мощность» в электронных терминах как скорость работай, где Работа понимается как "полезная энергия трансформации ". Таким образом, понятие максимальной мощности можно определить как максимум скорость полезный преобразование энергии. Следовательно, основная философия стремится объединить теории и связанные с ними законы электронных и термодинамических систем с биологическими системами. Такой подход предполагал аналогичный взгляд который рассматривает мир как двигатель экологии, электроники и экономики.

Предложения для принципа максимальной мощности как 4-го закона термодинамики

На это указали Больцман что основной объект спора в жизненной борьбе, в эволюции органического мира - это доступная энергия. Это наблюдение согласуется с принципом, согласно которому в борьбе за существование преимущество должно быть у тех организмов, чьи улавливающие энергию устройства наиболее эффективны в направлении доступной энергии в каналы, благоприятные для сохранения вида.

— А.Дж. Лотка 1922а, с. 147

... этому автору кажется уместным объединить биологические и физические традиции, дав дарвиновскому принципу естественного отбора ссылку как на четвертый закон термодинамики, поскольку это принцип управления скоростью генерации тепла и настройками эффективности в необратимых биологических процессах.

— H.T. Odum 1963, стр. 437

... возможно, пора признать принцип максимальной мощности четвертым термодинамическим законом, предложенным Лоткой.

— H.T. Odum 1994

Определение словами

Можно сформулировать принцип максимальной мощности: во время самоорганизации развиваются и преобладают конструкции систем, которые максимизируют потребление энергии, преобразование энергии и те виды использования, которые усиливают производство и эффективность. (H.T. Odum 1995, стр. 311)

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

Odum et al. просмотрел теорема максимальной мощности как принцип выбор взаимности энергоэффективности с более широким применением, чем просто электроника. Например, Одум видел это в открытых системах, работающих на солнечной энергии, таких как фотоэлектрическая энергия и фотосинтез (1963, стр. 438). Подобно теореме о максимальной мощности, утверждение Одума о принципе максимальной мощности основывается на понятии «согласования», так что высококачественная энергия максимизирует мощность за счет согласования и усиления энергии (1994, стр. 262, 541): «в сохранившихся конструкциях a вероятно совпадение высококачественной энергии с большим количеством низкокачественной энергии »(1994, стр. 260). Как и в случае с электронными схемами, результирующая скорость преобразования энергии будет максимальной при промежуточном КПД по мощности. В 2006 году T.T. Cai, C.L. Монтегю и Дж. Дэвис сказал, что «принцип максимальной мощности - это потенциальное руководство к пониманию закономерностей и процессов развития и устойчивости экосистемы. Принцип предсказывает избирательную устойчивость конструкций экосистем, которые захватывают ранее неиспользованный источник энергии». (2006, с. 317). В нескольких текстах H.T. Одум дал Машина Этвуда как практический пример «принципа» максимальной мощности.

Математическое определение

Математическое определение, данное Х. Odum формально аналогичен определению, приведенному на теорема максимальной мощности статья. (Краткое объяснение подхода Одума к взаимосвязи между экологией и электроникой см. Экологический аналог закона Ома )

Современные идеи

Вопрос о том, можно ли считать принцип максимальной энергоэффективности четвертым началом термодинамики и четвертым принципом энергетики, остается спорным. Тем не менее, H.T. Одум также предложил следствие максимальной мощности как организационный принцип эволюции, описывая эволюцию микробиологический системы, экономические системы, планетарный системы и астрофизический системы. Он назвал это следствие максимальная сила принцип. Это было предложено потому, что, как сказал С. Йоргенсен, М. Браун, Х. Odum (2004) примечание,

Максимальная мощность может быть неправильно понята как означающая приоритет низкоуровневых процессов. ... Однако процессы трансформации более высокого уровня так же важны, как и процессы низкого уровня. ... Таким образом, принцип Лотки уточняется, формулируя его как принцип самоорганизации для максимальной уполномочивать.

— п. 18

К. Джаннантони, возможно, запутал вопросы, когда написал «Принцип максимальной мощности излучения» (Лотка-Одум), который обычно считается «четвертым термодинамическим принципом» (в основном) из-за его практической применимости для очень широкого класса физических и биологических систем »(К. Джаннантони, 2002, § 13, с. 155). Тем не менее, Джаннантони предложил принцип максимальной мощности излучения в качестве четвертого принципа термодинамики (Giannantoni 2006).

Предыдущее обсуждение неполное. «Максимальная мощность» была открыта несколько раз независимо в физике и технике, см .: Новиков (1957), Эль-Вакиль (1962) и Керзон и Альборн (1975). Ошибочность этого анализа и выводов эволюции дизайна была продемонстрирована Gyftopoulos (2002).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Тилли, Дэвид Роджерс (2004). "Вклад Говарда Т. Одума в законы энергии" (PDF). Экологическое моделирование. 178: 121–125. Дои:10.1016 / j.ecolmodel.2003.12.032.
  2. ^ H.T. Odum 1995, стр. 311
  • T.T. Cai, C.L. Монтегю и Дж. Дэвис (2006) «Принцип максимальной мощности: эмпирическое исследование», Экологическое моделирование, Том 190, выпуски 3–4, страницы 317–335
  • G.Q. Чен (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. Констанца, Дж. Х. Камберленд, Х. Э. Дейли, Р. Гудленд и Р. Б. Норгард (1997) Введение в экологическую экономику, CRC Press - St. Lucie Press, Первое издание.
  • Ф.Л. Курзон и Б.Алборн (1975) «КПД двигателя Карно при максимальной выходной мощности», Am J Phys, 43, стр. 22–24.
  • К. Джаннантони (2002) Принцип максимальной ЭМ мощности как основа термодинамики качества, Servizi Grafici Редакционноеi, 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.
  • C.A.S. Холл (1995) Максимальная мощность: идеи и приложения Х.Т. Одума, Издательство Колорадского университета.
  • К.А.С. Холл (2004) «Постоянное значение максимальной мощности», Экологическое моделирование, Том 178, выпуск 1–2, 15, страницы 107–113
  • H.W. Джексон (1959) Введение в электронные схемы, Прентис – Холл.
  • С.Е. Йоргенсен, М.Т. Браун, Х.Т. Одум (2004) «Энергетическая иерархия и трансформация во Вселенной», Экологическое моделирование, 178, с. 17–28
  • А. Л. Ленингер (1973) Биоэнергетика, W.A. Benjamin inc.
  • А.Дж. Лотка (1922а) 'Вклад в энергетику эволюции '[PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8: стр. 147–51.
  • А.Дж. Лотка (1922б) 'Естественный отбор как физический принцип '[PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8, стр. 151–4.
  • H.T. Одум (1963) «Пределы удаленных экосистем, содержащих человека», Американский учитель биологии, Volume 25, No. 6, pp. 429–443.
  • Х. Т. Одум (1970) Энергетическая ценность водных источников. в 19-й Южной конференции по водным ресурсам и контролю загрязнения.
  • H.T. Одум (1978) «Качество энергии и окружающая среда», в ред. М.В. Гиллиленда. (1978) Энергетический анализ: новый инструмент государственной политики, Серия избранных симпозиумов AAA, Westview Press, Боулдер, Колорадо.
  • Х. Т. Одум (1994) Экологические и общие системы: введение в системную экологию, Издательство Колорадского университета.
  • Х.Т. Одум (1995) `` Самоорганизация и максимальное расширение возможностей '', в C.A.S.Hall (под ред.) Максимальная мощность: идеи и приложения Х.Т. Одума, Издательство Колорадского университета, Колорадо.
  • H.T. Odum и R.C. Pinkerton (1955) «Регулятор скорости времени: оптимальная эффективность для максимальной производительности в физических и биологических системах», Являюсь. Sci., 43 с. 331–343.
  • Х. Т. Одум и М. Т. Браун (2007) Окружающая среда, власть и общество в двадцать первом веке: иерархия энергии, 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). Эффективность атомных электростанций. J. Ядерная энергия II, Vol. 7. С. 125–128; переведено с Атомная Энергия, Vol. 3, (1957), № 11, с. 409
  • Эль-Вакиль, 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. С. 22–24.
  • Гифтопулос Э. П. (2002). Об эффективности Керзона-Альборна и ее отсутствии связи с процессами производства электроэнергии, Преобразование энергии и управление, Vol. 43. С. 609–615.