生物圈中的能量循环

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1、热力学第一定律和生物圈生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下10km到海平面以上9km的范围。在这个范围内有正常的生命存在，生态系统内部不断进行着物质、能量和信息的交换与循环。我们主要来讨论能量根据热力学第一定律的原理，在生物圈中的交换与循环。一、热力学第一定律在生物圈中的体现（一）太阳能的交换与循环地球是一个开放系统，存在着能量的输入和输出。能量输入的根本来源是太阳能，食物是光合作用新近固定和储存的太阳能，化石燃料则是过去地质年代固定和储存的太阳能。光合作用是植物固定太阳能的惟一有效途径，其全过程很复杂，包括100多步化学反应，但其总反应式却非常简明：6CO2＋12H

2、2O→C6H12O6+6O2＋6H2O能够通过光合作用制造食物分子的植物被称为“自养生物”，主要是绿色植物。其他生物靠自养生物取得其生存所必须的食物分子，这些生物称为“异养生物”。例如，食草的动物和昆虫，它们是绿色植物的消费者。它们无法固定太阳能，只能直接（如食草兽）或间接（如食肉兽）从绿色植物中获取富能的化学物质，然后通过“呼吸作用”把能量从这些化学物质中释放出来。呼吸作用也包括70多步反应，但其总反应式同样非常简明：C6H12O6＋6O2→ATP＋6CO2＋6H2O+热量生成物中的ATP即三磷酸腺苷，是生物化学反应中通用的能量，可保存供未来之需，也可以构成和补充细胞的结构以

3、及执行各种各样的细胞功能。生物圈中的能量流动都是按照热力学第一定律。根据热力学第一定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量既不会消失，也不会增加，这就是能量守恒原理。地球生物圈中能量的转移是热力学定律的极好说明。据测定，进入地球大气圈的太阳能为每分钟每平方厘米8.368J。其中约30％被反射回去，20％被大气吸收，其余的46％到达地面。地球表面上大部分地区没有植物，到达绿色植物上的太阳辐射只有10％左右。植物叶面又反射一部分，能被植物利用太阳能的只有1％左右。就是这极其微小的部分太阳能每年制造出（1500～2000）×108t有机物质（干重），是绿色植物提供

4、给全球消费者的有机物总量。绿色植物实现了从辐射能向化学能的转化，然后以有机质的形式通过食物链把能量传递给草食性动物，再传递给肉食性动物。动植物死亡后，其躯体被微生物分解，把复杂的有机物转化为简单的无机物，同时把有机物中储存的能量释放到环境中去。生产者、消费者和分解者的呼吸作用也要消耗部分能量，被消耗的能量也以热量的形式释放到环境中。这就是全球生物圈中能量的流动。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小的生物圈处于完美的和谐之中。(二)洋流中能量的交换与循环在海洋运动中，洋流对地球上的能量交换与循环扮演着重要的角色。洋流循着一定的路线周而复始地运动着，其规模比起陆地上的巨江大川则要

5、大出成千上万倍。海水流动可以推动涡轮机发电，为人们输送绿色能源。中国的洋流能源也很丰富，沿海洋流的理论平均功率为1.4亿千瓦。　　　　美国伍兹霍尔海洋研究所的研究人员指出，墨西哥湾流受到风力、地球自转和朝向北极前进的热量所驱使，所带来的能量等同于美国发电能力的2000倍。若能成功利用这股强大的洋流，驱动设置在海底的涡轮发电机，就足以产生相当10座核能发电厂的电能，供应佛罗里达州三分之一的电力需求。佛罗里达大西洋大学的研究人员计划于几个月内测试一座小型的涡轮发电机。　　佛罗里达大西洋大学“海洋科技中心”的研究人员说：“佛罗里达是世界上发展洋流发电的首选之地，因为这里常年都有强大的

6、洋流。在这里建立的洋流发电厂可以全天候发电，一年到头都可发电。”二、生物圈，“第三类”永动机？永动机是人类的一个梦想，第一类永动机的梦想因能量守恒定律的出现而宣告失败，第二类永动机的尝试也因能量的转化的方向性而破产。有一位物理学家这样生动的解释：“根据热力学第一定律，你不可能赢；根据热力学第二定律，你不可能不输不赢。”因此，人类不可能违背自然规律制造出第一类和第二类永动机。不过，人们心中普遍还有一个永动机之梦，我们暂称之为“第三类”永动机。什么是“第三类”永动机呢？让我们先回到永动机的字面意义。简单地说，永动机就是永远运动的机器。那么，一个不需要外界能量和物质输入而实现物质和能

7、量自循环的装置，就是一个永动机。比如一个理想单摆，在无摩擦的理想条件下，它的势能和动能不停地转化，没有任何耗散，在系统内部实现能量的自循环，并且循环往复，以至无穷，这就是一个永动机。当然，在现实世界中，理想单摆的理想条件是无法满足的，因为总是有摩擦存在，能量损失，根据热力学第一定律单摆最终会停止摆动。然而，如果我们从外界输入能量，补充耗散掉的能量，比如给这个单摆装一个太阳能发条，这个单摆是否可以永远运动下去呢？其实，我们所生活的生物圈就是一个巨大的半孤立系，它与外界没有物质交换，但是有源源不