Научно-техническая революция

Статистич. физика связывает  энтропию с вероятностью осуществления  данного макроскопич. состояния  системы. Для системы из N частиц, обладающей энергией E, энтропия определяется как логарифм статистич. веса  данного равновесного состояния:   , т.е. числа квантовых состояний в узком интервале   вблизи значения Е (k-постоянная Больцмана). Возрастание энтропии изолированной системы обусловлено ее переходом из менее вероятного в более вероятное состояние. Иными словами, эволюция такой системы осуществляется в направлении наиб. вероятного распределения энергии по отдельным частицам или подсистемам (см. Статистическая термодинамика). Однако вследствие флуктуации, обусловленных хаотич. движением образующих систему частиц, возможен переход системы из более вероятного в менее вероятное состояние; при этом энтропия системы уменьшается. Наличие флуктуации приводит к тому, что закон возрастания энтропии выполняется только в среднем для достаточно большого промежутка времени.

Уравнение Больцмана описывает эволюцию во времени (t) функции распределения плотности f(x, p, t) в одночастичном фазовом пространстве, где x и p — координата и импульс соответственно. Распределение определяется так, что

пропорционально числу частиц в фазовом объёме d³x d³p в момент времени t. Уравнение Больцмана

Здесь F(x, t) — поле сил, действующее на частицы в жидкости или газе, а m — масса частиц. Слагаемое в правой части уравнения добавлено для учёта столкновений между частицами и называется интегралом столкновений. Если оно равно нулю, то частицы не сталкиваются вовсе. Этот случай часто называют одночастичным уравнением Лиувилля.

Если поле сил F(x, t) заменить подходящим самосогласованным полем, зависящим от функции распределения  , то получим уравнение Власова, описывающее динамику заряженных частиц плазмы в самосогласованном поле. Классическое же уравнение Больцмана используется в физике плазмы, а также в физике полупроводников и металлов (для описания кинетических явлений, то есть переноса заряда или тепла, в электронной жидкости).

В гамильтоновой механике уравнение Больцмана часто записывается в более общем виде

,

где L — оператор Лиувилля, описывающий эволюцию объёма фазового пространства и C — оператор столкновений. Нерелятивистская форма L   а в общей теории относительности

где Γ — символ Кристоффеля.

Постоянная Больцмана дает возможность напрямую связать характеристики микромира с характеристиками макромира — в частности, с показаниями термометра. Ключевая формула, устанавливающая это соотношение:    

1/2 mv² = kT

где m и v — соответственно масса и средняя скорость движения молекул газа, Т — температура газа (по абсолютной шкале Кельвина), а k —постоянная Больцмана. Это уравнение прокладывает мостик между двумя мирами, связывая характеристики атомного уровня (в левой части) с объемными свойствами (в правой части), которые можно измерить при помощи человеческих приборов, в данном случае термометров. Эту связь обеспечивает постоянная Больцмана k, равная 1,38 x 10^–23 Дж/К.

160. Функциональные группы организмов (по способу питания) в экосистеме. Автотрофы (продуценты) и гетеротрофы  (консументы и редуценты)

Механизм  взаимодействия живого и косного  вещества состоит в вовлечении неорганической материи в сферу жизни, в ее превращениях в живом веществе и  возвращении в прежнее состояние  косного вещества. В связи с  этим в любой экосистеме можно  выделить по типу питания три функциональные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты - зеленые растения, производящие живое вещество из неживого. Они способны аккумулировать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и создавать органические вещества.

Консументы , или потребители, - организмы, использующие органические вещества продуцентов. К ним относятся животные. Травоядные животные употребляют растительную пищу, а плотоядные - животную.

Редуценты - грибы и бактерии, превращающие органическое вещество в минеральное, разлагая остатки мертвых растений, животных микроорганизмов. Продукты минерализации вновь используются продуцентами.

Продуценты, консументы и редуценты существуют во всех наземных (хвойные и лиственные леса, тундры, степи, пустыни, луга) и водных (океаны, моря, реки, озера, пруды) экосистемах. Например, экосистемы леса и пруда различаются средой обитания, видовым составом популяций, но содержат все три функциональные группы. Продуценты в лесу - это деревья, кустарники, травы, мхи, а в пруду - водные растения, водоросли, синезеленые. В состав консументов леса входят звери, птицы, насекомые, беспозвоночные животные, населяющие лесную подстилку и почву. В пруду к консументам относятся рыбы, земноводные, ракообразные, насекомые. Редуценты представлены в лесу наземными, в пруду - водными формами.

Таким образом, в экосистеме пищевые и  энергетические связи идут в следующем  направлении: продуценты - консументы - редуценты.

В каждую функциональную группу входит множество популяций и только тесное взаимодействие всех трех групп  обусловливает функционирование экосистемы.