Превращения энергии в живой природе

2.2. Энергетический круговорот. Трансформация энергии в биосфере

Экосистему можно описать как совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом, информацией. Энергию можно определить как способность производить работу. Свойства энергии, в том числе и движение энергии в экосистемах, описываются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не создаётся заново, она лишь переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше её энтропия.

Говоря другими словами, живое вещество получает и трансформирует энергию космоса, солнца в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую). Вовлекает эту энергию и неорганическую материю в непрерывный круговорот веществ в биосфере. Поток энергии в биосфере имеет одно направление – от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы). Природные нетронутые экосистемы в устойчивом состоянии с постоянными важнейшими экологическими показателями (гомеостаз), являются наиболее упорядоченными системами, и характеризуются наименьшей энтропией.

2.3 Круговорот веществ в живой природе

Образование живого вещества и его разложение – две стороны единого процесса, который называется биологическим круговоротом химических элементов. Жизнь – круговорот химических элементов между организмами и средой.

Причина круговорота – ограниченность элементов, из которых строятся тела организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. При этом:

одни организмы потребляют минеральные вещества непосредственно из окружающей среды;

другие используют продукты, переработанные и выделенные первыми;

третьи – вторыми и т.д., пока вещества не возвратятся в окружающую среду в первоначальном состоянии.

В биосфере очевидна необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга. Мы видим практически безотходное биологическое производство.

Круговорот веществ в живых организмах условно можно свести к четырём процессам:

1).Фотосинтез. В результате фотосинтеза растения усваивают и аккумулируют солнечную энергию и синтезируют из неорганических веществ органические вещества — первичную биологическую продукцию — и кислород. Первичная биологическая продукция отличается большим разнообразием – содержит углеводы (глюкозу), крахмал, клетчатку, белки, жиры.

Схема фотосинтеза простейшего углевода (глюкозы) имеет следующую схему:

6СО₂+6Н₂О+ свет (энергия Солнца) С₆Н₁₂О₆+ 6О₂ – 2620 кДж

хлорофилл (катализатор) глюкоза

Этот процесс протекает только днём и сопровождается увеличением массы растений.

На Земле ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т. органического вещества, усваивается около 200 млрд. т. углекислого газа, выделяется примерно 145 млрд. т кислорода.

Фотосинтезу принадлежит решающая роль в обеспечении существования жизни на Земле. Его глобальное значение объясняется тем, что фотосинтез является единственным процессом, в ходе которого энергия в термодинамическом процессе согласно с минималистским принципом не рассеивается, а наоборот – накапливается.

Синтезируя необходимые для построения белков аминокислоты, растения могут существовать относительно независимо от других живых организмов. В этом проявляется автотрофность растений (самостоятельность в питании). В то же время зелёная масса растений и кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, являются основой для поддержания жизни следующей группы живых организмов – животных, микроорганизмов. В этом проявляется гетеротрофность этой группы организмов.

2).Дыхание. Процесс обратный фотосинтезу. Происходит во всех живых клетках. При дыхании органическое вещество окисляется кислородом, в результате образуется углекислый газ, вода и выделяется энергия.

3). Пищевые (трофические) связи между автотрофными и гетеротрофными организмами.

4). Процесс транспирации. Один из самых важных процессов в биологическом круговороте.

Схематично его можно описать следующим образом. Растения поглощают почвенную влагу корнями. При этом в них поступают растворённые в воде минеральные вещества, которые усваиваются, а влага более или менее интенсивно испаряется в зависимости от условий среды.

Источник

Превращения энергии в природе (физика, 7 класс)

Изучение законов дает наглядное представление о превращении энергии в природе. В физике за 7 класс ведется подробное изучение этого явления. В его основу заложен принцип сохранения энергии, которая никуда не исчезает, а переходит в другие формы существования. Например, меняет свой вид или передается от одного тела к другому. При этом ее количественный состав остается постоянным.

Теоретическая основа

Существующая в мире энергия никуда не исчезает. Она просто переходит в другое состояние. Это является законом природы, который постоянно подтверждается в разных разделах физики. При ударе по металлическому предмету последний нагревается. Происходит это потому, что энергия от падающего тела передается молекулам. При сильном соприкосновении камней высекается искра, которая тоже несет в себе тепло.

Чтобы понять суть этих явлений, нужно обратиться к внутреннему строению тел. Все они состоят из атомов, которые имеют ядро и вращающиеся вокруг него электроны. Эта мельчайшая структурная единица материи сохраняет свою целостность, благодаря наличию энергетических связей. При их распаде высвобождается энергия.

Виды энергии

Существует несколько видов энергии в природе. Взаимные превращения энергии постоянно наблюдаются в окружающем мире. При этом она делится на виды:

1. Механическая. Проявляет себя при движении, вращении или соприкосновении тел. Находит широкое применение в машиностроении.
2. Тепловая. Выделяется при взаимодействии молекул во время их хаотичного движения. Образуется в процессе сжигания топлива. Находит применение в отоплении.
3. Электрическая. Формируется при движении по цепи положительно и отрицательно заряженных частиц. Она необходима для приведения в действие различных станков или электрических приборов. Очень широкое применение нашла в быту.
4. Химическая. Первоначально она находится в атомах вещества. В дальнейшем ее высвобождение происходит при химических реакциях. Преобразовываться она может в электричество или тепло.
5. Магнитная. Формируется вокруг обмоток, по которым проходит электрический ток. В этих местах образовываются электромагнитные поля. Выглядят они в виде световых волн — инфракрасных или ультрафиолетовых. Также существуют радиоволны и рентгеновские лучи.
6. Ядерная. Заключена в ядрах атомов. Высвобождается при их делении. Еще большая сила возникает при синтезе легких ядер. Это называется термоядерной реакцией.
7. Гравитационная. Это силы, которые возникают между всеми предметами. Ощутимы они только при взаимодействии массивных тел. В первую очередь это заметно в космическом пространстве. Кроме того, в земных условиях ее можно наблюдать при поднятии любого предмета. Он будет притягиваться обратно к земле.

Все эти виды энергии взаимодействуют между собой, обладая способностью преобразовываться и превращаться из одного типа в другой. Понимая, какие превращения энергии происходят в природе, есть возможность их использования на благо человечества.

Механические превращения

В механике существует такое понятие, как потенциальная и кинетическая энергия. При этом они могут преобразоваться одна в другую. Этот переход удобно описать на примерах:

1. Колебания маятника. Если отвести нить с грузом на некоторый угол, а потом отпустить, то он сначала начнет медленно перемещаться вниз. На середине дистанции, не доходя крайней нижней точки, его скорость достигнет максимума. На этом ее приращение заканчивается, но груз по инерции поднимется на определенную высоту. Если рассмотреть этот процесс с физической точки зрения, то в первый момент потенциальная энергия груза будет иметь свой максимум. Двигаясь под действием силы тяжести, она постепенно превращается в кинетическую, с помощью которой, груз, переходя крайнюю нижнюю точку, продолжает движение вверх.
2. Колебания пружины. Примерно такое же преобразование происходит во время колебания груза на пружине. При оттягивании упругого элемента вниз создается потенциальная энергия силы пружины. По мере продвижения груза вверх она переходит в кинетическую. В верхней точке пружина останавливается, но потенциальная энергия силы тяжести опять тянет груз вниз.

Несколько другой процесс происходит при торможении колес. Тормозные колодки, соприкасаясь с дисками, останавливают их. При этом кинетическая энергия вращающегося колеса превращается в тепловую, нагревая тормозные колодки.

Энергетические ресурсы

Существующие в природе энергетические ресурсы с успехом используются человечеством. Примеры носят следующий характер:

1. Солнце. Поток солнечных лучей омывает нашу планету. Человечество научилось их использовать при помощи коллекторов. Эти аппараты поглощают солнечные лучи и образуют тепло.
2. Уголь, древесина, газ, нефть. Все эти ресурсы образовались в результате гниения организмов. Происходили такие процессы на протяжении множества миллионов лет.
3. ГЭС. Здесь идет преобразование механической силы падающей воды в электрическую энергию.
4. Ветер. Выработка электричества возможна при помощи ветряных агрегатов. Для этого используется перемещение воздушных масс.

Эксплуатируя земляные недра и атмосферные явления, человечество добывает энергию, которую использует на свои нужды.

Биологические процессы

Множество биологических организмов в процессе дыхания для своей жизнедеятельности используют кислород. Различные бактерии и грибы потребляют вещества, которые являются отходами существования для других живых организмов. Так происходит круговорот в природе.

Основную роль в поддержании жизни на Земле играет фотосинтез. Это такой биологический процесс, благодаря которому из неорганических веществ формируются органические соединения. Существует множество вариантов фотосинтеза. В одном из них в качестве побочного продукта образуется кислород. Углекислый газ является основным элементом для проведения реакции фотосинтеза.

Все биологические циклы, существующие в природе, сформировались самостоятельно. В настоящее время эта цепь может быть нарушена. Причиной является человеческая деятельность. Сжигание большого количества топлива, приводит к выделению углекислого газа, который поднимается в верхние слои атмосферы. Как результат, создается парниковый эффект, что ведет к глобальному потеплению климата на планете.

Источник

3. Потоки вещества и энергии в экосистеме

Вещества и энергия в сообществах передаются по пищевым цепям. Через живые организмы проходит огромное количество вещества и энергии.

Энергия поступает на Землю в виде солнечного излучения, которое растениями преобразуется в доступную живым организмам форму — в энергию химических связей органических веществ. В цепях питания большая часть энергии расходуется на процессы жизнедеятельности и превращается в тепло.

К биогенным элементам относятся макроэлементы . Это неметаллы, образующие органические соединения (углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор), и металлы, содержание которых в клетках достаточно высокое (калий, кальций, магний). К биогенным относятся также микроэлементы , которых в живых клетках немного (железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт).

Если бы все живые организмы постоянно забирали необходимые им вещества из неживой природы и ничего не возвращали обратно, то вскоре запасы этих веществ были бы исчерпаны. Это не случается, так как в процессе жизнедеятельности организмы возвращают вещества в окружающую среду.

Биогенные вещества постоянно передаются в экосистеме по замкнутым циклам. Это явление носит название круговорота веществ .

Начинается круговорот веществ с поступления химических элементов из почвы и воздуха в организмы продуцентов. Продуценты образуют органические вещества, часть из которых потребляется консументами и передаётся по цепям питания, а другая часть остаётся неиспользованной. На каждом трофическом уровне некоторое количество веществ возвращается в почву с отходами жизнедеятельности. Все органические остатки редуценты перерабатывают и превращают в минеральные вещества, доступные продуцентам.

Так с участием живых организмов разных групп на Земле осуществляется постоянный круговорот биогенных элементов.

Источник