El principio de máxima potencia o el principio de Lotka [1] se ha propuesto como el cuarto principio de la energética en la termodinámica de sistemas abiertos , donde un ejemplo de un sistema abierto es una célula biológica. Según Howard T. Odum , "El principio de máxima potencia puede establecerse: durante la autoorganización, los diseños de sistemas se desarrollan y prevalecen para maximizar la ingesta de energía, la transformación de energía y aquellos usos que refuerzan la producción y la eficiencia".
Historia [ editar ]
Chen (2006) ha localizado el origen de la declaración de poder máximo como un principio formal en una propuesta tentativa de Alfred J. Lotka (1922a, b). La declaración de Lotka buscó explicar la noción darwiniana de evolución con referencia a un principio físico. El trabajo de Lotka fue desarrollado posteriormente por el ecologista de sistemas Howard T. Odum en colaboración con el Ingeniero Químico Richard C. Pinkerton, y luego fue desarrollado por el Ingeniero Myron Tribus .
Si bien el trabajo de Lotka pudo haber sido un primer intento de formalizar el pensamiento evolutivo en términos matemáticos, siguió observaciones similares hechas por Leibniz y Volterra y Ludwig Boltzmann , por ejemplo, a lo largo de la historia a veces polémica de la filosofía natural. En la literatura contemporánea se asocia más comúnmente con el trabajo de Howard T. Odum.
La importancia del enfoque de Odum recibió mayor apoyo durante la década de 1970, en tiempos de crisis petrolera , donde, como observó Gilliland (1978, pp. 100), surgió la necesidad de un nuevo método para analizar la importancia y el valor de los recursos energéticos. A la producción económica y ambiental. Un campo conocido como análisis de energía , asociado a la energía neta y EROEI , surgió para satisfacer esta necesidad analítica. Sin embargo, en el análisis de energía surgieron dificultades teóricas y prácticas cuando se usaba la unidad de energía para comprender, a) la conversión entre tipos de combustible concentrados (o tipos de energía ), b) la contribución del trabajo yc) la contribución del medio ambiente.
La filosofía y la teoría [ editar ]
Lotka dijo (1922b: 151):
| " | El principio de la selección natural se revela como capaz de proporcionar información que la primera y la segunda leyes de la termodinámica no pueden proporcionar. Las dos leyes fundamentales de la termodinámica son, por supuesto, insuficientes para determinar el curso de los eventos en un sistema físico. Nos dicen que ciertas cosas no pueden suceder, pero no nos dicen qué sucede. | ” |
Gilliland observó que estas dificultades en el análisis a su vez requerían una nueva teoría para explicar adecuadamente las interacciones y transacciones de estas diferentes energías (diferentes concentraciones de combustibles, fuerzas laborales y ambientales). Gilliland (Gilliland 1978, p. 101) sugirió que la declaración de Odum del principio del poder máximo (HTOdum 1978, pp. 54-87) fue, quizás, una expresión adecuada de la teoría requerida:
| " | Esa teoría, tal como se expresa en el principio de máxima potencia, aborda la cuestión empírica de por qué los sistemas de cualquier tipo o tamaño se organizan en los patrones observados. Tal pregunta asume que las leyes físicas gobiernan la función del sistema. No supone, por ejemplo, que el sistema que comprende la producción económica sea impulsado por los consumidores;más bien que todo el ciclo de producción-consumo está estructurado y conducido por leyes físicas. | ” |
A esta teoría la llamaba Odum la teoría del máximo poder. Para formular la teoría del poder máximo, Gilliland observó que Odum había agregado otra ley (el principio del poder máximo) a las leyes de la termodinámica ya bien establecidas. En 1978, Gilliland escribió que la nueva ley de Odum aún no había sido validada (Gilliland 1978, p. 101). Gilliland declaró que en la teoría de la máxima potencia la eficacia de la segunda ley de la termodinámica requería un concepto físico adicional: "el concepto de eficiencia de la segunda ley bajo la potencia máxima" (Gilliland 1978, p. 101):
| " | Ni la primera ni la segunda ley de la termodinámica incluyen una medida de la velocidad a la que ocurren las transformaciones o procesos de energía. El concepto de máxima potencia incorpora el tiempo en medidas de transformaciones energéticas. Proporciona información sobre la velocidad a la que un tipo de energía se transforma en otro, así como la eficiencia de esa transformación. | ” |
De esta manera, el concepto de potencia máxima se utilizaba como un principio para describir cuantitativamente la ley selectiva de la evolución biológica . Quizás la declaración más concisa de este punto de vista de HTOdum fue (1970, p. 62):
| " | Lotka proporcionó la teoría de la selección natural como un organizador de máxima potencia;bajo condiciones competitivas, se seleccionan sistemas que utilizan sus energías en diversas acciones de desarrollo estructural para maximizar su uso de las energías disponibles. Según esta teoría, los sistemas de ciclos que consumen menos energía pierden en el desarrollo comparativo. Sin embargo, Leopold y Langbein han demostrado que las corrientes en el desarrollo de perfiles de erosión, sistemas de meandros y redes tributarias dispersan sus energías potenciales más lentamente que si sus canales fueran más directos. Estas dos afirmaciones podrían armonizarse mediante un principio de potencia máxima de eficiencia óptima (Odum y Pinkerton 1955), que indica que las energías que se convierten demasiado rápidamente en calor no se ponen a disposición del propio uso del sistema, ya que no son devueltas a los almacenes. bombeo, | ” |
El enfoque de Odum-Pinkerton a la propuesta de Lotka fue aplicar la ley de Ohm y el teorema de potencia máxima asociado (un resultado en los sistemas de energía eléctrica ) a los sistemas ecológicos. Odum y Pinkerton definieron "poder" en términos electrónicos como la tasa de trabajo , donde el trabajo se entiende como una " transformación de energía útil ". El concepto de potencia máxima, por lo tanto, se puede definir como la tasa máxima de transformación de energía útil . Por lo tanto, la filosofía subyacente tiene como objetivo unificar las teorías y leyes asociadas de los sistemas electrónicos y termodinámicos con los sistemas biológicos. Este enfoque presupone una visión analógica. Que ve el mundo como un motor ecológico-electrónico-económico.
Propuestas para el principio de máxima potencia como 4ta ley termodinámica [ editar ]
Definición en palabras [ editar ]
| " | Se puede establecer el principio de máxima potencia: durante la autoorganización, los diseños de sistemas se desarrollan y prevalecen para maximizar la ingesta de energía, la transformación de energía y aquellos usos que refuerzan la producción y la eficiencia. (HT Odum 1995, p. 311) | ” |
| " | ... el principio de máxima potencia ... establece que los sistemas que maximizan su flujo de energía sobreviven en la competencia. En otras palabras, en lugar de limitarse a aceptar el hecho de que más energía por unidad de tiempo se transforma en un proceso que opera a máxima potencia, este principio dice que los sistemas se organizan y estructuran de forma natural para maximizar la potencia. Los sistemas se regulan según el principio de máxima potencia. Con el tiempo, se seleccionan los sistemas que maximizan la potencia, mientras que aquellos que no se seleccionan y finalmente se eliminan. ... Odum argumenta ... que los mecanismos de libre mercado de la economía hacen efectivamente lo mismo para los sistemas humanos y que nuestra evolución económica hasta la fecha es un producto de ese proceso de selección. (Gilliland 1978, pp. 101-102) | ” |
Odum et al. Ve el teorema de máxima potencia como un principio de selección de reciprocidad de eficienciade potencia.Con una aplicación más amplia que solo la electrónica. Por ejemplo, Odum lo vio en sistemas abiertos que funcionan con energía solar, como la energía fotovoltaica y la fotosíntesis (1963, p. 438). Al igual que el teorema de máxima potencia, la afirmación de Odum del principio de máxima potencia se basa en la noción de "coincidencia", de modo que la energía de alta calidad maximiza la potencia al combinar y amplificar la energía (1994, pp. 262, 541): "en los diseños supervivientes a es probable que ocurra la combinación de energía de alta calidad con cantidades mayores de energía de baja calidad "(1994, p. 260). Al igual que con los circuitos electrónicos, la tasa de transformación de energía resultante será máxima con una eficiencia de potencia intermedia. En 2006, TT Cai, CL Montague y JS Davis dijeron que " El principio de máxima potencia es una guía potencial para comprender los patrones y procesos de desarrollo y sostenibilidad de los ecosistemas. El principio predice la persistencia selectiva de los diseños de ecosistemas que capturan una fuente de energía previamente sin explotar ". (2006, p. 317). En varios textos, HT Odum dio laLa máquina Atwood como ejemplo práctico del 'principio' de máxima potencia.
Definición matemática [ editar ]
La definición matemática dada por HT Odum es formalmente análoga a la definición provista en el artículo del teorema de máxima potencia . (Para una breve explicación de la aproximación de Odum a la relación entre la ecología y la electrónica, consulte el Análogo ecológico de la ley de Ohm ).
Ideas contemporáneas [ editar ]
Si el principio de máxima eficiencia de potencia puede considerarse o no la cuarta ley de la termodinámica y el cuarto principio de la energética es discutible. Sin embargo, HT Odum también propuso un corolario del poder máximo como el principio organizativo de la evolución, que describe la evolución de los sistemas microbiológicos, los sistemas económicos , los sistemas planetarios y los sistemas astrofísicos . Llamó a este corolario el principio de máxima potenciación . Esto fue sugerido porque, como SE Jorgensen, MT Brown, HT Odum (2004) nota,
C. Giannantoni puede haber confundido los asuntos cuando escribió "El" Principio de Máximo Poder Emocional "(Lotka-Odum) generalmente se considera el" Cuarto Principio de Termodinámica "(principalmente) debido a su validez práctica para una clase muy amplia de física y biológica. sistemas "(C. Giannantoni 2002, § 13, p. 155). Sin embargo, Giannantoni ha propuesto el Principio de Máxima Em-potencia como el cuarto principio de la termodinámica (Giannantoni 2006).
La discusión anterior es incompleta. El "poder máximo" se descubrió varias veces de manera independiente, en física e ingeniería, ver: Novikov (1957), El-Wakil (1962) y Curzon y Ahlborn (1975). Gyftopoulos (2002) demostró lo incorrecto de este análisis y las conclusiones de la evolución del diseño.
La superficie termodinámica de Maxwell es una escultura de 1874 [2] realizada por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879). Este modelo proporciona un espacio tridimensional de los diversos estados de una sustancia ficticia con propiedades similares al agua. [3] Esta gráfica tiene coordenadas de volumen (x), entropía (y) y energía(z). Se basó en los documentos de la termodinámica gráfica del científico estadounidense Josiah Willard Gibbs de 1873. [4] [5] El modelo, en palabras de Maxwell, permitió que "las características principales de las sustancias conocidas [se] representen en una escala conveniente".
Construcción del modelo [ editar ]
Los artículos de Gibbs definieron lo que Gibbs denominó "superficie termodinámica", que expresaba la relación entre el volumen, la entropía y la energía de una sustancia a diferentes temperaturas y presiones. Sin embargo, Gibbs no incluyó ningún diagrama de esta superficie. [4] [7] Después de recibir las reimpresiones de los artículos de Gibbs, Maxwell reconoció la idea que brindaba el nuevo punto de vista de Gibbs y se dispuso a construir modelos físicos tridimensionales de la superficie. [8] Esto reflejó el talento de Maxwell como un pensador visual fuerte [9] y prefiguró las técnicas modernas de visualización científica . [4]
Maxwell esculpió el modelo original en arcilla e hizo tres moldes de yeso del modelo de arcilla, enviando uno a Gibbs como regalo, manteniendo a los otros dos en su laboratorio de la Universidad de Cambridge . [4] La copia de Maxwell está en exhibición en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, [4] [10] mientras que la copia de Gibbs está en exhibición en el Laboratorio de Física Sloane de la Universidad de Yale , [11] donde Gibbs tuvo una cátedra. Se tomaron varias fotografías históricas de estos moldes de yeso a mediados del siglo XX, incluido uno de James Pickands II, publicado en 1942 [1] - y estas fotografías expusieron a una gama más amplia de personas al enfoque de visualización de Maxwell.
Usos del modelo [ editar ]
Maxwell dibujó líneas de igual presión (isopísicas) y de igual temperatura (isotérmicas) en su escayola colocándolas a la luz del sol y "trazando la curva cuando los rayos acaban de rozar la superficie". [3] Envió bocetos de estas líneas a varios colegas. [12] Por ejemplo, su carta a Thomas Andrews del 15 de julio de 1875 incluía bocetos de estas líneas. [3] Maxwell proporcionó una explicación más detallada y un dibujo más claro de las líneas en la versión revisada de su libro Theory of Heat , [13] y una versión de este dibujo apareció en un sello postal de EE. UU. En 2005 en honor a Gibbs. [7]
Además de estar en exhibición en dos países, el modelo de Maxwell sigue vivo en la literatura de la termodinámica, y los libros sobre el tema a menudo lo mencionan, [14] aunque no siempre con una precisión histórica completa. Por ejemplo, a menudo se informa que la superficie termodinámica representada por la escultura es la del agua, [14] en contra de la propia declaración de Maxwell. [3]
Modelos relacionados [ editar ]
El modelo de Maxwell no fue el primer modelo de yeso de una superficie termodinámica: en 1871, incluso antes de los documentos de Gibbs, James Thomson había construido un gráfico de presión - volumen - temperatura deyeso , basado en datos sobre el dióxido de carbono recolectado por Thomas Andrews . [15]
Alrededor de 1900, el científico holandés Heike Kamerlingh Onnes , junto con su estudiante Johannes Petrus Kuenen y su asistente Zaalberg van Zelst, continuaron el trabajo de Maxwell construyendo sus propios modelos de superficie termodinámica de yeso. [16] Estos modelos se basaron en datos experimentales precisos obtenidos en su laboratorio y fueron acompañados por herramientas especializadas para dibujar las líneas de igual presión.
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