Поиск

Почва как термодинамическая система
28.10.2015

Системой в термодинамическом смысле называют тело или совокупность тел конечных размеров с определенными границами. Почва, как самостоятельное природное тело, в этом смысле является определенной термодинамической системой. Границы этой системы можно рассматривать как в физическом смысле, так и в качестве гипотетических (математических) поверхностей; основным свойством границ почвенной системы является их способность, пропуская через себя в обоих направлениях потоки вещества и энергии, не аккумулировать ни вещество, ни энергию в самих границах.
Реальная почва — это сложная открытая система, находящаяся в постоянном массо- и энергообмене с окружающей средой, поскольку она является компонентом структурной единицы биосферы — биогеоценоза (экосистемы). В то же время в аналитических целях почва может рассматриваться, с соблюдением определенных ограничений, и как замкнутая система, если к ней не применяются параметры, приложимые к открытым системам.
Почва является гетерогенной системой, состоящей из нескольких гомогенных термодинамических систем, имеющих разные свойства. Гомогенной называют систему, для которой характерна непрерывность интенсивных свойств по всему объему. Как известно, интенсивные свойства почвы резко меняются не только при переходе от твердой фазы к жидкой или газообразной, но и при переходе от одного горизонта к другому по почвенному профилю. Например, резкое изменение наблюдается в объемном весе почвы и т. д.
Сложность почвы как термодинамической системы состоит еще и в том, что почва — это многофазная система, если под фазой понимать любое гомогенное тело, которое отличается от ближайшего окружения резким изменением свойств на границах. Этот фактор оказывает исключительно большое влияние на равновесное состояние почвы как гетерогенной системы потому, что термодинамическая характеристика системы непосредственно связана с ее состоянием, а последнее определяется количеством входящих в нее фаз согласно «правилу фаз» Гиббса.
Термодинамическое состояние системы — это состояние ее в данный момент времени. Оно может считаться определенным, если известны все интенсивные свойства системы, т. к. последние зависят только от состояния системы. Любое изменение системы, связанное с изменением хотя бы одного ее свойства, определяется как термодинамический процесс.
Если система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, испытывает ряд бесконечно малых воздействий со стороны окружающей среды, то в термодинамическом процессе она проходит через бесконечный ряд равновесных состояний; если при этом система совершает и максимальную работу по преодолению внешних воздействий, то такой процесс носит название равновесного процесса. В противоположность этому неравновесный процесс является результатом конечного воздействия окружающей среды на систему. Совершив равновесный процесс, система может вернуться к исходному состоянию, пройдя в обратном процессе те же самые равновесные состояния, которые она проходила и при прямом процессе. Равновесный процесс — это всегда круговой, или обратимый, процесс. Обратимым называют такой термодинамический процесс, который допускает возвращение системы в первоначальное состояние без каких-либо изменений во внешней среде и в самой системе. Если же в результате термодинамического процесса в системе или в окружающей ее среде произойдут какие-либо изменения свойств или хотя бы одного свойства, то такой процесс носит название необратимого. Необратимый процесс всегда одновременно и неравновесный.
Все природные процессы, и в том числе процессы выветривания и почвообразования, являются необратимыми в термодинамическом смысле. Это связано с тем, что природные процессы протекают с конечной скоростью и при конечных разностях между силами, действующими на систему и им противодействующими; они сопровождаются многочисленными неустранимыми потерями в результате наличия трения, лучеиспускания, теплопередачи, диффузии и т. д.
Таким образом, с термодинамической точки зрения почва представляет собой открытую гетерогенную и многофазную систему, характеризуемую необратимыми термодинамическими процессами. Приложение принципов, законов и представлений термодинамики к реальным почвам должно строиться с учетом этого определения.