Principio di massima potenza: cos’è, quarto principio

Il principio della massima potenza o principio di Lotka è stato proposto come quarto principio dell’energetica nella termodinamica dei sistemi aperti , dove un esempio di sistema aperto è una cellula biologica. Secondo Howard T. Odum , “si può affermare il principio della massima potenza: durante l’auto-organizzazione, si sviluppa e prevalgono progetti di sistema che massimizzano l’assorbimento di potenza, la trasformazione dell’energia e quegli usi che rafforzano la produzione e l’efficienza”.

Principio di potenza massima nel linguaggio dei sistemi energetici adattato da Odum e Odum 2000, p. 38

Storia

Chen (2006) ha individuato l’origine dell’affermazione di massima potenza come principio formale in una proposta provvisoria di Alfred J. Lotka (1922a, b). L’affermazione di Lotka ha cercato di spiegare la nozione darwiniana di evoluzione con riferimento a un principio fisico. Il lavoro di Lotka è stato successivamente sviluppato dall’ecologo dei sistemi Howard T. Odum in collaborazione con l’ingegnere chimico Richard C. Pinkerton, e successivamente avanzato dall’ingegnere Myron Tribus .

Sebbene il lavoro di Lotka possa essere stato un primo tentativo di formalizzare il pensiero evolutivo in termini matematici, ha seguito osservazioni simili fatte da Leibniz e Volterra e Ludwig Boltzmann , ad esempio, nel corso della storia a volte controversa della filosofia naturale. Nella letteratura contemporanea è più associato associato al lavoro di Howard T. Odum.

L’importanza dell’approccio di Odum ha ricevuto maggiore sostegno durante gli anni ’70, in un periodo di crisi petrolifera , dove, come ha osservato Gilliland (1978, pp. 100), emergeva la necessità di un nuovo metodo di analisi dell’ importanza e del valore delle risorse energetiche alla produzione economica e ambientale. Un campo noto come analisi energetica , a sua volta associato all’energia netta e all’EROEI , è nato per soddisfare questa esigenza analitica. Tuttavia, nell’analisi energetica sono sorte difficoltà teoriche e pratiche intrattabili quando si utilizza l’ unità di energia per comprendere, a) la conversione tra tipi di combustibili concentrati (otipi di energia ), b) il contributo del lavoro, ec) il contributo dell’ambiente.

Filosofia e teoria

Lotka disse (1922b: 151):

Il principio della selezione naturale si rivela capace di fornire informazioni che la prima e la seconda legge della termodinamica non sono competenti a fornire. Le due leggi fondamentali della termodinamica sono, ovviamente, insufficienti per determinare il corso degli eventi in un sistema fisico. Ci dicono che certe cose non possono accadere, ma non ci dicono cosa succede.

Gilliland ha notato che queste difficoltà nell’analisi richiedevano a loro volta una nuova teoria per spiegare adeguatamente le interazioni e le transazioni di queste diverse energie (diverse concentrazioni di combustibili, lavoro e forze ambientali). Gilliland (Gilliland 1978, p. 101) ha suggerito che l’affermazione di Odum del principio di massima potenza (HTOdum 1978, pp. 54-87) fosse, forse, un’espressione adeguata della teoria richiesta:

Quella teoria, così come è espressa dal principio di massima potenza, affronta la questione empirica del perché i sistemi di qualsiasi tipo o dimensione si organizzino secondo i modelli osservati. Tale domanda presuppone che le leggi fisiche governino la funzione del sistema. Non presuppone, ad esempio, che il sistema che comprende la produzione economica sia guidato dai consumatori; piuttosto che l’intero ciclo di produzione-consumo è strutturato e guidato da leggi fisiche.

Questa teoria Odum chiamò teoria della massima potenza. Per formulare la teoria della massima potenza, Gilliland osservò che Odum aveva aggiunto un’altra legge (il principio della massima potenza) alle già consolidate leggi della termodinamica. Nel 1978 Gilliland scrisse che la nuova legge di Odum non era stata ancora convalidata (Gilliland 1978, p. 101). Gilliland affermò che nella teoria della massima potenza la seconda legge dell’efficienza della termodinamica richiedeva un concetto fisico aggiuntivo: “il concetto di seconda legge dell’efficienza alla massima potenza” (Gilliland 1978, p. 101):

Né la prima né la seconda legge della termodinamica includono una misura della velocità con cui si verificano trasformazioni o processi energetici. Il concetto di potenza massima incorpora il tempo in misure di trasformazioni di energia. Fornisce informazioni sulla velocità con cui un tipo di energia viene trasformato in un altro, nonché sull’efficienza di tale trasformazione.

In questo modo il concetto di massima potenza veniva utilizzato come principio per descrivere quantitativamente la legge selettiva dell’evoluzione biologica . Forse l’affermazione più concisa di HTOdum di questo punto di vista è stata (1970, p. 62):

Lotka fornì la teoria della selezione naturale come organizzatore del massimo potere; in condizioni competitive vengono selezionati sistemi che impiegano le loro energie in varie azioni di sviluppo strutturale in modo da massimizzare il loro utilizzo delle energie disponibili. Secondo questa teoria i sistemi di cicli che assorbono meno energia perdono terreno nello sviluppo comparativo. Tuttavia Leopold e Langbein hanno dimostrato che i corsi d’acqua nello sviluppo di profili di erosione, sistemi di meandri e reti tributarie disperdono le loro energie potenziali più lentamente che se i loro canali fossero più diretti. Queste due affermazioni potrebbero essere armonizzate da un principio di massima potenza dell’efficienza ottimale (Odum e Pinkerton 1955), che indica che le energie che vengono convertite troppo rapidamente in calore non sono rese disponibili per l’uso proprio dei sistemi perché non vengono restituite attraverso gli accumuli in utili pompaggio,

L’approccio Odum-Pinkerton alla proposta di Lotka era di applicare la legge di Ohm – e il teorema della massima potenza associato (un risultato nei sistemi di alimentazione elettrica ) – ai sistemi ecologici. Odum e Pinkerton hanno definito “potenza” in termini elettronici il ritmo del lavoro , dove Lavoro è inteso come ” trasformazione di energia utile “. Il concetto di potenza massima può quindi essere definito come il tasso massimo di trasformazione dell’energia utile . Quindi la filosofia sottostante mira a unificare le teorie e le leggi associate dei sistemi elettronici e termodinamici con i sistemi biologici. Questo approccio presupponeva una visione analogicache vede il mondo come un motore ecologico-elettronico-economico.

Proposte per il principio della massima potenza come 4a legge della termodinamica

È stato rilevato da Boltzmann che l’oggetto fondamentale del conflitto nella lotta per la vita, nell’evoluzione del mondo organico, è l’energia disponibile. In accordo con questa osservazione è il principio che, nella lotta per l’esistenza, il vantaggio deve andare a quegli organismi i cui dispositivi di cattura dell’energia sono più efficienti nel dirigere l’energia disponibile in canali favorevoli alla conservazione della specie.

—  AJ Lotka 1922a, p. 147

… sembra a questo autore appropriato unire le tradizioni biologiche e fisiche citando il principio darwiniano della selezione naturale come quarta legge della termodinamica , poiché è il principio che controlla la velocità di generazione del calore e le impostazioni di efficienza nelle condizioni biologiche irreversibili processi.

—  HT Odum 1963, p. 437

… potrebbe essere il momento di riconoscere il principio della massima potenza come la quarta legge della termodinamica come suggerito da Lotka.

—  HT Odum 1994

Definizione a parole

Il principio della massima potenza può essere affermato: durante l’autorganizzazione, si sviluppano e prevalgono progetti di sistema che massimizzano l’assorbimento di potenza, la trasformazione dell’energia e quegli usi che rafforzano la produzione e l’efficienza. (HT Odum 1995, p. 311)

… il principio della massima potenza … afferma che i sistemi che massimizzano il loro flusso di energia sopravvivono in competizione. In altre parole, piuttosto che limitarsi ad accettare il fatto che più energia per unità di tempo si trasforma in un processo che opera alla massima potenza, questo principio dice che i sistemi si organizzano e si strutturano naturalmente per massimizzare la potenza. I sistemi si autoregolano secondo il principio della massima potenza. Nel corso del tempo, i sistemi che massimizzano la potenza vengono selezionati mentre quelli che non lo fanno vengono selezionati contro e alla fine eliminati. … Odum sostiene … che i meccanismi del libero mercato dell’economia fanno effettivamente la stessa cosa per i sistemi umani e che la nostra evoluzione economica fino ad oggi è un prodotto di quel processo di selezione. (Gilliland 1978, pp. 101-102)

Odum et al. considerava il teorema della massima potenza come un principio di selezione della reciprocità potenza-efficienzacon un’applicazione più ampia rispetto alla semplice elettronica. Ad esempio, Odum lo vide in sistemi aperti che funzionano con l’energia solare, come sia il fotovoltaico che la fotosintesi (1963, p. 438). Come il teorema della massima potenza, l’affermazione di Odum del principio della massima potenza si basa sulla nozione di “corrispondenza”, tale che l’energia di alta qualità massimizza la potenza abbinando e amplificando l’energia (1994, pp. 262, 541): “nei progetti sopravvissuti un è probabile che si verifichi l’abbinamento di energia di alta qualità con quantità maggiori di energia di bassa qualità” (1994, p. 260). Come con i circuiti elettronici, il tasso di trasformazione dell’energia risultante sarà al massimo con un’efficienza energetica intermedia. Nel 2006, TT Cai, CL Montague e JS Davis dissero che ” Il principio della massima potenza è una potenziale guida per comprendere i modelli e i processi di sviluppo e sostenibilità dell’ecosistema. Il principio prevede la persistenza selettiva di progetti di ecosistemi che catturano una fonte di energia precedentemente non sfruttata.” (2006, p. 317). In diversi testi HT Odum ha fornito laMacchina Atwood come esempio pratico del ‘principio’ della massima potenza.

Definizione matematica

La definizione matematica data da HT Odum è formalmente analoga alla definizione fornita nell’articolo sul teorema della massima potenza . (Per una breve spiegazione dell’approccio di Odum al rapporto tra ecologia ed elettronica vedi Analogo ecologico della legge di Ohm )

Idee contemporanee

Se il principio della massima efficienza energetica possa essere considerato o meno la quarta legge della termodinamica e il quarto principio dell’energetica è discutibile. Tuttavia, HT Odum ha anche proposto un corollario della massima potenza come principio organizzativo dell’evoluzione, descrivendo l’evoluzione dei sistemi microbiologici , dei sistemi economici , dei sistemi planetari e dei sistemi astrofisici . Chiamò questo corollario il principio del massimo potere . Ciò è stato suggerito perché, come notano SE Jorgensen, MT Brown, HT Odum (2004),

La potenza massima potrebbe essere erroneamente interpretata nel senso di dare priorità ai processi di basso livello. … Tuttavia, i processi di trasformazione di livello superiore sono importanti tanto quanto i processi di basso livello. … Pertanto, il principio di Lotka viene chiarito affermandolo come il principio dell’auto-organizzazione per il massimo potere .

—  pag. 18

C. Giannantoni può aver confuso le cose quando ha scritto “Il “Principio di Massima Potenza Em” (Lotka-Odum) è generalmente considerato il “Quarto Principio Termodinamico” (principalmente) a causa della sua validità pratica per una classe molto ampia di fenomeni fisici e biologici sistemi” (C. Giannantoni 2002, § 13, p. 155). Ciononostante, Giannantoni ha proposto il Principio di Massima Potenza Em come quarto principio della termodinamica (Giannantoni 2006).

La discussione precedente è incompleta. La “potenza massima” è stata scoperta più volte in modo indipendente, in fisica e ingegneria, vedi: Novikov (1957), El-Wakil (1962) e Curzon e Ahlborn (1975). L’inesattezza di questa analisi e delle conclusioni sull’evoluzione del progetto è stata dimostrata da Gyftopoulos (2002).

Guarda anche


https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_principle

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