Creșterea și Dezvoltarea Ecosistemelor

LECŢIA VII. Creşterea şi dezvoltarea ecosistemelor. Procesele dinamice ce au loc în interiorul ecosistemului

Una din problemele ecologiei este descrierea şi explicarea evoluţiei în timp a ecosistemelor, a modificării caracteristicilor acestora pe măsura desfăşurării stadiilor succesive prin care trec. Termodinamica permite fundamentarea teoretică şi în această problemă.

În analiza termodinamică a evoluţiei ecosistemelor, se porneşte de la faptul că toate sistemele biologice (şi ecologice) sînt sisteme deschise şi că procesele energetice din ecosisteme sînt procese ireversibile. De aceea, problema nu este abordată de pe poziţiile termodinamicii clasice (termodinamicii proceselor reversibile), ci de pe poziţiile termodinamicii proceselor ireversibile.

Variaţia dS a entropiei unui sistem deschis este dată de două mărimi: deS–schimburile de entropie cu mediul; diS– producţia de entropie în sistem:

Intensitatea producţiei de entropie în unitatea de timp exprimă viteza de scădere a energiei libere a sistemului în urma degradării în procesele ireversibile. Se notează cu Ф şi se numeşte „funcţia de disipare Rayleigh”. Conform definiţiei de mai sus, în condiţii izoterme-izobare, funcţia se va scrie astfel:

Adică intensitatea disipilării de energie liberă este produsul dintre temperarura şi viteza de creştere a entropiei sistemului.

Funcţia de disipilare Ф este suma tuturor produselor dintre fluxurile şi forţele conjugate corespunzătoare tuturor proceselor:

Prin funcţia de disipare se poate preciza modul în care evoluează sistemele în timp. Existenţa unei forţe oarecare X1 determină apariţia unui flux J1 care tinde să anuleze forţa. Un gradient (diferenţă) de temperatură determină un flux de căldură de la temperatura superioară la temperatura inferioară pînă în momentul în care temperaturile se egalează şi gradientul dispare. Cînd într-un sistem izolat acţionează mai multe forţe, se vor produce şi fluxurile corespunzătoare pînă cînd toate forţele devin nule – este starea de echilibru termodinamic în care, încetînd toate procesele din sistem, a încetat şi producţia de entropie. Funcţia disipativă Ф=0, iar entropia devine şi se menţine maximă.

În sistemul deschis nu se atinge starea de Ф=0, deoarece prin intervenţia unor forţe externe, anumite forţe din sistem menţinute la valori constante diferite de zero. Disiparea de energie liberă şi producţia de entropie vor avea întotdeauna valori pozitive, dar minime în condiţiile date. Este starea staţionară (starea de echilibru dinamic) în care toate caracteristicile sistemului, deci şi entropia, sunt constante în timp:

(15)

Cum însă:

, (16)

Rezultă:

(17)

Adică: un sistem aflat în stare staţionară elimină în mediu entropia produsă datorită proceselor ireversibile din sistem, entropia sa rămînînd astfel constantă.

După principiul stabilităţii echilibrului (principiul lui Le Chatelier), stările de echilibru sînt stabile faţă de perturbări mici. Şi stările staţionare au această proprietate. Atunci cînd apare o perturbare, care nu modifică condiţiile definitorii ale stării staţionare, adică forţele menţinute constante, în sistem apare un flux care tinde să anuleze perturbarea şi să-l reducă la starea staţionară anterioară.