公共营养师(三级)考点辅导：研究能量传递规律的热力学定律

会计考友

　　能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。一切生命活动都伴随着能量的变化，没有能量的转化，也就没有生命和生态系统。生态系统的重要功能之一就是能量流动，能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学的两个定律。
: F3 x# S, p" n5 Y! a, U　　（一）热力学第一定律
　　热力学第一定律可以表述如下：“在自然界发生的所有现象中，能量既不能消灭也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式”。因此热力学第一定律又称为能量守恒定律。
4 ~/ Z4 h2 B7 Z5 ]* J) M' b) r' e　　依据这个定律可知，一个体系的能量发生变化，环境的能量也必定发生相应的变化，如果体系的能量增加，环境的能量就要减少，反之亦然。对生态系统来说也是如此，例如，生态系统通过光合作用所增加的能量等于环境中太阳所减少的能量，总能量不变，所不同的是太阳能转化为潜能输入了生态系统，表现为生态系统对太阳能的固定。
　　人们都知道，非生命自然界发生的变化都不必借助外力的帮助而能自动实现，热力学把这样的过程称为自发过程或自动过程。例如，热自发地从高温物体传到低温物体，直到两者的温度相同为止。而与此相反的过程都不能自发地进行，可见自发过程的共同规律就在于单向趋于平衡状态，决不可能自动逆向进行。或者说任何自发过程都是热力学的不可逆过程。应当指出的是：不应把自发过程理解为不可能逆向进行，问题在于是自动还是消耗外功，借助外功是可逆向进行的。例如，生态系统中复杂的有机物质分解为简单的无机物质是一种自发过程，但无机物质决不可能自发地合成为有机物质，借助于外功太阳能却可以实现，这就是光合作用，不过这不是自发或自动的。既然任何自发过程总是单向趋于平衡状态，决不可能自动逆向进行，由此可以推测体系必定有一种性质，它只视体系的状态而定而与过程的途径（或进行的方式）无关。可以大致打一个比喻：假定有水位差的存在，水自动地从高水位流向低水位的趋向必定存在，但水流是快是慢显然都不可能改变水向低水位方向流动的自发倾向。这就是说，要研究给定的始态和终态条件下自发过程的方向，可以不考虑过程的细节和进行的方式。为了判断自发过程进行的方向和限度，可以找出能用来表示各自发过程共同特征的状态函数。熵（entropy）和自由能就是热力学中两个最重要的状态函数，它们只与体系的始态和终态有关而与过程的途径无关。
　　（二）热力学第二定律
/ d2 i8 F8 U8 B5 P' Y　　热力学第二定律表达有关能量传递方向和转换效率的规律。
' U3 @! I" ~/ \+ ]! ~　　热力学第二定律是对能量传递和转化的一个重要概括，通俗地说就是：在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和作功而以热的形式消散的能量，这部分能量使熵和无序性增加。以蒸汽机为例，煤燃烧时一部分能量转化为蒸汽能推动机器作了功，另一部分能量以热的形式消散在周围空间而没有作功，只是使熵和无序性增加。对生态系统来说也是如此，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量被降解为热而消散掉（使熵增加），其余则用于合成新的组织作为潜能储存下来。所以一个动物在利用食物中的潜能时常把大部分转化成了热，只把一小部分转化为新的潜能。因此能量在生物之间每传递一次，一大部分的能量就被降解为热而损失掉，这也就是为什么食物链的环节和营养级的级数一般不会多于5～6个以及能量金字塔必定呈尖塔形的热力学解释。中华考试网
　　熵（entropy）是系统热量被温度除后得到的商，在一个等温过程中，系统的熵值变化（△S）为：
+ _8 B/ u6 V; K" F( f) x　　△S=△Q/T
　　式中，△Q 为系统中热量变化（焦耳），T是系统的温度（K）。
: l8 H" v: g& N3 I2 E; ]" C; L　　若用熵概念表示热力学第二定律，则①在一个内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变化，常增不减；②开放系统从一个平衡态的一切过程使系统熵值与环境熵值之和增加。
　　生态系统是一个开放系统，它们不断地与周围的环境进行着各种形式能量的交换，通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵值转出环境。
3 b5 i: P9 w# H　　开放系统（同外界有物质和能量交换的系统）与封闭系统的性质不同，它倾向于保持较高的自由能而使熵较小，只要不断有物质和能量输入和不断排出熵，开放系统便可维持一种稳定的平衡状态。生命、生态系统和生物圈都是维持在一种稳定状态的开放系统。低熵的维持是借助于不断地把高效能量降解为低效能量来实现的。在生态系统中，由复杂的生物量结构所规定的“有序”是靠不断“排掉无序”的总群落呼吸来维持的。热力学定律与生态学的关系是明显的，各种各样的生命表现都伴随着能量的传递和转化，象生长、自我复制和有机物质的合成这些生命的基本过程都离不开能量的传递和转化，否则就不会有生命和生态系统。总之，生态系统与其能源太阳能的关系，生态系统内生产者与消费者之间及捕食者与猎物之间的关系都受热力学基本规律的制约和控制，正如这些规律控制着非生物系统一样。热力学定律决定着生态系统利用能量的限度。事实上，生态系统利用能量的效率很低，虽然对能量在生态系统中的传递效率说法不一，但最大的观测值是30%，一般说来，从供体到受体的一次能量传递只能有5～20%的可利用能量被利用，这就使能量的传递次数受到了限制，同时这种限制也必然反映在复杂生态系统的结构上（如食物链的环节数和营养级的级数等）。由于物质的传递并不受热力学定律的限制，因此生物量金字塔和数量金字塔有时会表现为下窄上宽的倒塔形，但这并不意味着高营养级生物所利用的能量会多于低营养级生物所传递的能量。