Princip maximálního výkonu - Maximum power principle

Princip maximálního výkonu v jazyce energetických systémů upravený podle Odum a Odum 2000, s. 38

Princip maximálního výkonu nebo princip Lotka je bylo navrženo jako čtvrtý princip energetiky v otevřený systém termodynamiky , kde příkladem otevřeného systému je biologická buňka. Podle Howarda T. Odum , „Princip maximální výkon lze konstatovat: Během sebeorganizace, navrhuje systém vyvíjet a zvítězí, že příjem maximalizovat výkon, transformace energie, a takové způsoby užívání, které posilují produkci a efektivitu.“

Dějiny

Chen (2006) umístil původ prohlášení o maximální moci jako formální princip do předběžného návrhu Alfreda J. Lotky (1922a, b). Lotkovo prohlášení se snažilo vysvětlit darwinovské pojetí evoluce s odkazem na fyzikální princip. Práce Lotky byla následně vyvinuta systémovým ekologem Howardem T. Odumem ve spolupráci s chemickým inženýrem Richardem C. Pinkertonem a později rozšířena inženýrem Myron Tribus .

Zatímco Lotkova práce mohla být prvním pokusem formalizovat evoluční myšlení z matematického hlediska, následovala podobná pozorování učiněná například Leibnizem a Volterrou a Ludwigem Boltzmannem v průběhu někdy kontroverzních dějin přírodní filozofie. V současné literatuře je nejčastěji spojován s dílem Howarda T. Oduma.

Význam Odumova přístupu dostal větší podporu během sedmdesátých let, uprostřed období ropné krize , kde, jak poznamenal Gilliland (1978, s. 100), se objevila potřeba nové metody analýzy významu a hodnoty energetických zdrojů k ekonomické a environmentální produkci. K naplnění této analytické potřeby vzniklo pole známé jako energetická analýza , které je samo o sobě spojeno s čistou energií a EROEI . Při energetické analýze však při používání energetické jednotky vznikly neodstranitelné teoretické a praktické obtíže , a) přeměna mezi koncentrovanými typy paliv (nebo typy energie ), b) přínos práce ac) přínos prostředí.

Filozofie a teorie

Lotka řekla (1922b: 151):

Princip přirozeného výběru se ukazuje jako schopný poskytnout informace, které první a druhý zákon termodynamiky nejsou způsobilé poskytnout. Dva základní zákony termodynamiky jsou samozřejmě nedostatečné k určení průběhu událostí ve fyzickém systému. Říkají nám, že určité věci se nemohou stát, ale neříkají nám, co se stane.

Gilliland poznamenal, že tyto obtíže při analýze zase vyžadovaly nějakou novou teorii, která by adekvátně vysvětlila interakce a transakce těchto různých energií (různé koncentrace paliv, práce a sil prostředí). Gilliland (Gilliland 1978, s. 101) navrhl, že Odumovo prohlášení o principu maximální moci (HTOdum 1978, s. 54–87) bylo možná adekvátním vyjádřením požadované teorie:

Tato teorie, jak je vyjádřena principem maximálního výkonu, řeší empirickou otázku, proč se systémy jakéhokoli typu nebo velikosti organizují do pozorovaných vzorců. Taková otázka předpokládá, že fungování systému řídí fyzikální zákony. Nepředpokládá například, že systém zahrnující ekonomickou produkci je poháněn spotřebiteli; spíše že celý cyklus výroby a spotřeby je strukturován a řízen fyzikálními zákony.

Tato teorie Odum nazvala teorii maximálního výkonu. Aby mohl formulovat teorii maximálního výkonu, Gilliland poznamenal, že Odum přidal další zákon (princip maximálního výkonu) k již dobře zavedeným zákonům termodynamiky. V roce 1978 Gilliland napsal, že nový Odumův zákon ještě nebyl ověřen (Gilliland 1978, s. 101). Gilliland uvedl, že v teorii maximálního výkonu vyžaduje termodynamická účinnost druhého zákona další fyzikální koncept: „koncept účinnosti druhého zákona při maximálním výkonu“ (Gilliland 1978, s. 101):

Ani první, ani druhý zákon termodynamiky nezahrnují míru rychlosti, jakou dochází k energetickým transformacím nebo procesům. Koncept maximálního výkonu zahrnuje čas do opatření energetických transformací. Poskytuje informace o rychlosti, s jakou se jeden druh energie transformuje na jiný, a také o účinnosti této transformace.

Tímto způsobem byl koncept maximálního výkonu používán jako princip kvantitativního popisu selektivního zákona biologické evoluce . Snad nejstručnějším prohlášením HTOdum z tohoto pohledu bylo (1970, s. 62):

Lotka poskytla teorii přirozeného výběru jako organizátora maximální síly; za konkurenčních podmínek jsou vybírány systémy, které využívají své energie při různých strukturálních akcích, aby maximalizovaly využití dostupných energií. Touto teorií se při srovnávacím vývoji ztrácejí systémy cyklů, které odčerpávají méně energie. Leopold a Langbein však ukázali, že toky při vývoji profilů eroze, meandrových systémů a přítokových sítí rozptylují své potenciální energie pomaleji, než kdyby byly jejich kanály přímější. Tyto dva výroky by mohly být harmonizovány principem maximálního výkonu s optimální účinností (Odum a Pinkerton 1955), což naznačuje, že energie, které se příliš rychle přeměňují na teplo, nejsou k dispozici pro vlastní potřebu systémů, protože nejsou přivedeny zpět přes zásobníky na užitečné čerpání, ale místo toho náhodně míchejte prostředí.

Přístup Odum – Pinkerton k Lotkovu návrhu spočíval v použití Ohmova zákona - a související věty o maximálním výkonu (výsledek v systémech elektrické energie ) - na ekologické systémy. Odum a Pinkerton definovali „sílu“ v elektronických termínech jako rychlost práce , kde se práce chápe jako „ transformace užitečné energie “. Koncept maximálního výkonu lze tedy definovat jako maximální rychlost transformace užitečné energie . Základní filozofie má tedy za cíl sjednotit teorie a související zákony elektronických a termodynamických systémů s biologickými systémy. Tento přístup předpokládal analogický pohled, který vnímá svět jako ekologicko-elektronicko-ekonomický motor.

Návrhy na princip maximálního výkonu jako 4. termodynamický zákon

Boltzmann poukázal na to, že základním předmětem sporu v boji o život, ve vývoji organického světa, je dostupná energie. V souladu s tímto pozorováním je zásada, že v boji o existenci musí mít výhodu ty organismy, jejichž zařízení k zachycování energie jsou nejúčinnější při směrování dostupné energie do kanálů příznivých pro zachování druhu.

-  AJ Lotka 1922a, s. 147

... zdá se tomuto autorovi vhodné sjednotit biologické a fyzikální tradice tím, že dá darwinovskému principu přirozeného výběru citaci jako čtvrtý zákon termodynamiky , protože je to řídící princip v rychlosti tvorby tepla a nastavení účinnosti v nevratných biologických procesy.

-  HT Odum 1963, s. 437

... může být čas uznat princip maximálního výkonu jako čtvrtý termodynamický zákon, jak navrhuje Lotka.

-  HT Odum 1994

Slovní definice

Lze konstatovat princip maximálního výkonu: Během samoorganizace se vyvíjejí a převládají návrhy systémů, které maximalizují příjem energie, transformaci energie a ta použití, která posilují produkci a účinnost. (HT Odum 1995, s. 311)

... princip maximálního výkonu ... uvádí, že systémy, které maximalizují svůj tok energie, přežívají v soutěži. Jinými slovy, spíše než pouhé přijetí skutečnosti, že více energie za jednotku času se transformuje v procesu, který pracuje s maximálním výkonem, tento princip říká, že systémy se přirozeně organizují a strukturují, aby maximalizovaly výkon. Systémy se regulují podle principu maximálního výkonu. Postupem času jsou vybírány systémy, které maximalizují výkon, zatímco ty, které tak nečiní, jsou vybrány proti a nakonec vyloučeny. ... Odum tvrdí ... že volné tržní mechanismy ekonomiky účinně dělají totéž pro lidské systémy a že náš dosavadní ekonomický vývoj je produktem tohoto výběrového procesu. (Gilliland 1978, s. 101–102)

Odum a kol. pohlíželi na teorém o maximálním výkonu jako na princip výběru účinnosti a vzájemnosti s širším uplatněním než jen s elektronikou. Například Odum to viděl v otevřených systémech pracujících na sluneční energii, jako fotovoltaika a fotosyntéza (1963, s. 438). Stejně jako věta o maximálním výkonu se Odumovo prohlášení o principu maximálního výkonu opírá o představu „shody“, takže vysoce kvalitní energie maximalizuje energii spojením a zesílením energie (1994, s. 262, 541): „v přežívajících designech pravděpodobně dojde ke shodě vysoce kvalitní energie s větším množstvím energie nízké kvality “(1994, s. 260). Stejně jako u elektronických obvodů bude výsledná rychlost transformace energie maximální při střední energetické účinnosti. V roce 2006 uvedli společnosti TT Cai, CL Montague a JS Davis: „Princip maximálního výkonu je potenciálním vodítkem k pochopení vzorů a procesů rozvoje a udržitelnosti ekosystémů. Tento princip předpovídá selektivní přetrvávání návrhů ekosystémů, které zachycují dříve nevyužitou energii zdroj." (2006, s. 317). V několika textech HT Odum uvedl stroj Atwood jako praktický příklad „principu“ maximálního výkonu.

Matematická definice

Matematická definice daná HT Odum je formálně analogická s definicí uvedenou v článku o větě o maximálním výkonu . (Stručné vysvětlení Odumova přístupu ke vztahu mezi ekologií a elektronikou viz Ekologický analog Ohmova zákona )

Současné myšlenky

Zda je možné považovat princip maximální energetické účinnosti za čtvrtý zákon termodynamiky a čtvrtý energetický princip je diskutabilní. HT Odum nicméně navrhl důsledek maximálního výkonu jako organizačního principu evoluce, popisující vývoj mikrobiologických systémů, ekonomických systémů , planetárních systémů a astrofyzikálních systémů. Tento důsledek nazval principem maximální zmocnění . To bylo navrženo, protože, jak poznamenávají SE Jorgensen, MT Brown, HT Odum (2004),

Maximální výkon může být nepochopen, což znamená upřednostnění procesů na nízké úrovni. ... Procesy transformace na vyšší úrovni jsou však stejně důležité jako procesy na nízké úrovni. ... Proto je Lotkův princip objasněn tím, že je uveden jako princip vlastní organizace pro maximální zmocnění .

-  str. 18

C. Giannantoni možná zaměnil věci, když napsal „Princip„ maximální emoční síly “(Lotka – Odum) je obecně považován za„ čtvrtý termodynamický princip “(hlavně) kvůli své praktické platnosti pro velmi širokou třídu fyzikálních a biologických systémy “(C. Giannantoni 2002, § 13, s. 155). Giannantoni nicméně jako čtvrtý princip termodynamiky navrhl princip maximální emoční síly (Giannantoni 2006).

Předchozí diskuse je neúplná. „Maximální výkon“ byl objeven několikrát samostatně, ve fyzice a inženýrství, viz: Novikov (1957), El-Wakil (1962) a Curzon a Ahlborn (1975). Nesprávnost závěrů této analýzy a vývoje designu byla prokázána Gyftopoulosem (2002).

Viz také

Reference

  • TT Cai, CL Montague a JS Davis (2006) „Princip maximálního výkonu: empirické šetření“, Ecological Modeling , svazek 190, čísla 3–4, strany 317–335
  • GQ Chen (2006) „Nedostatek energie a ekologické hodnocení založené na vtělené energii“, Komunikace v nelineární vědě a numerické simulaci , svazek 11, číslo 4, červenec, strany 531–552.
  • R.Costanza, JHCumberland, HEDaly, R.Goodland a RBNorgaard (1997) An Introduction to Ecological Economics , CRC Press - St. Lucie Press, First Edition.
  • FLCurzon a B.Ahlborn (1975) „Účinnost Carnotova motoru při maximálním výkonu“, Am J Phys , 43, s. 22–24.
  • C. Giannantoni (2002) Princip maximální emoční energie jako základ pro termodynamiku kvality , Servizi Grafici Editoriali, Padova.
  • C. Giannantoni (2006) Matematika pro generativní procesy: Živé a neživé systémy, Journal of Computational and Applied Mathematics , svazek 189, číslo 1–2, strany 324–340.
  • MWGilliland vyd. (1978) Energy Analysis: A New Public Policy Tool , AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
  • CASHall (1995) Maximum Power: The Idages and applications of HTOdum , Colorado University Press.
  • CASHall (2004) „Trvalý význam maximálního výkonu“, Ekologické modelování , svazek 178, číslo 1–2, 15, strany 107–113
  • HW Jackson (1959) Úvod do elektronických obvodů , Prentice – Hall.
  • SEJorgensen, MTBrown, HTOdum (2004) „Energetická hierarchie a transformace ve vesmíru“, Ecological Modeling , 178, s. 17–28
  • ALLehninger (1973) Bioenergetics, WA Benjamin inc.
  • AJLotka (1922a) „ Příspěvek k energetické energii evoluce “ [PDF]. Proč Natl Acad Sci, 8: str. 147–51.
  • AJLotka (1922b) „ Přirozený výběr jako fyzikální princip “ [PDF]. Proč Natl Acad Sci, 8, s. 151–4.
  • HTOdum (1963) „Limity vzdálených ekosystémů obsahujících člověka“, The American Biology Teacher , svazek 25, č. 6, s. 429–443.
  • HTOdum (1970) Energetické hodnoty vodních zdrojů. na 19. konferenci o jižních vodních zdrojích a kontrole znečištění.
  • HTOdum (1978) „Energy Quality and the Environment“, v MWGilliland ed. (1978) Energy Analysis: A New Public Policy Tool , AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
  • HTOdum (1994) Ecological and General Systems: An Introduction to Systems Ecology , Colorado University Press.
  • HTOdum (1995) 'Self-Organisation and Maximum Empower', v CASHall (ed.) Maximum Power: The Ideas and Applications of HTOdum , Colorado University Press, Colorado.
  • HTOdum a RCPinkerton (1955) „Regulátor rychlosti času: Optimální účinnost pro maximální výkon ve fyzických a biologických systémech“, Am. Sci. , 43 s. 331–343.
  • HTOdum a MTBrown (2007) Životní prostředí, síla a společnost pro dvacáté první století: Hierarchie energie , Columbia University Press.
  • M.Tribus (1961) § 16.11 „Všeobecné zpracování lineárních systémů používaných pro výrobu energie“, Termostatika a termodynamika , Van Nostrand, Univerzitní řada v základním inženýrství, str. 619.
  • Novikov II, (1958). Účinnost atomových elektráren. J. Nuclear Energy II , sv. 7, s. 125–128; přeloženo z Atomnaya Energia , sv. 3, (1957), č. 11, str. 409
  • El-Wakil, MM (1962) Nuclear Power Engineering , McGraw-Hill, New York, s. 162–165.
  • Curzon FL, Ahlborn B., (1975) Účinnost Carnotova motoru při maximálním výkonu, American Journal of Physics , sv. 43, s. 22–24.
  • Gyftopoulos EP, (2002). O účinnosti Curzon-Ahlborn a jejím nedostatečném připojení k procesům výroby energie , Energy Conversion and Management , Vol. 43, s. 609–615.