최대 전력 원리

Maximum power principle
Odum 및 Odum 2000에서 채택된 에너지 시스템 언어의 최대 전력 원리, 페이지 38

오픈 시스템의 예가 생물 세포인 오픈 시스템 열역학에서 정력학의 네 번째 원리로서 최대 동력 원리 또는 로트카의 원리가[1] 제시되었다. 하워드 T에 따르면 오덤 "최대 전력 원리는 다음과 같이 진술할 수 있다. 자가 조직화 과정에서 전력 섭취, 에너지 변환, 생산과 효율을 강화하는 사용 등을 극대화하는 시스템 설계가 개발되고 우위에 서게 된다."[2]

역사

첸 (2006)은 알프레드 J. 로트카 (1922a, b)의 잠정적인 제안에서 형식적 원칙으로 최대 권력 진술의 기원을 찾아냈다. 롯카의 성명은 물리적 원리를 참조하여 진화론에 대한 다윈의 개념을 설명하려 했다. 로트카의 연구는 생태학자인 하워드 T 시스템에 의해 이후에 개발되었다. 화학 엔지니어 Richard C와 협력하여 오덤. 핑커튼, 그리고 후에 엔지니어 마이런 트리부스에 의해 진격했다.

롯카의 연구가 진화 사상을 수학적 용어로 공식화하기 위한 최초의 시도였을지 모르지만, 라이프니즈와 볼테라, 루트비히 볼츠만의 비슷한 관찰을 따랐는데, 예를 들면 자연철학의 때로는 논쟁의 여지가 있는 역사 전반에 걸쳐서 말이다. 현대 문학에서 그것은 하워드 T의 작품과 가장 일반적으로 연관되어 있다. 오덤.

오덤의 접근방식의 중요성은 1970년대에 석유 위기의 시기에 더 큰 지지를 받았는데, 길릴랜드(1978, 페이지 100)가 관찰한 바와 같이, 경제 및 환경 생산에 대한 에너지 자원의 중요성과 가치를 분석하는 새로운 방법의 필요성이 대두되었다. 에너지 분석이라고 알려진 분야, 그 자체가 순 에너지와 EROI와 연관되어 이러한 분석적 요구를 충족시키기 위해 생겨났다. 그러나 에너지 분석에서 다루기 어려운 이론적, 실무적 어려움은 에너지 단위를 사용하여 이해했을 때 발생했으며, a) 농축 연료 유형(또는 에너지 유형) 간의 변환, b) 노동의 기여, c) 환경의 기여에 대해 발생하였다.

철학과 이론

로트카는 이렇게 말했다(1922b: 151).

자연선택의 원리는 열역학 제1법칙과 제2법칙이 제공할 수 없는 정보를 산출할 수 있다는 것을 스스로 드러낸다. 열역학이라는 두 가지 기본 법칙은 물론 물리적 시스템에서 사건의 진로를 결정하기에 불충분하다. 그들은 우리에게 어떤 일은 일어날 수 없다고 말하지만 어떤 일이 일어나는지 말하지 않는다.

길리언드는 이러한 분석의 어려움들이 차례로 이러한 서로 다른 에너지의 상호작용과 거래(연료, 노동력 및 환경력의 다른 농도)를 적절히 설명하기 위해 몇 가지 새로운 이론이 필요하다는 점에 주목했다. 길릴랜드(Gilliland 1978, 페이지 101)는 오둠의 최대 전력 원리(H.T.Odum 1978, 페이지 54–87)에 대한 진술이 아마도 다음과 같은 필수 이론의 적절한 표현일 것이라고 제안했다.

그 이론은, 최대 권력 원리에 의해 표현되는 것처럼, 왜 어떤 유형이나 크기의 시스템들이 관찰된 패턴으로 자신을 조직하는가에 대한 경험적 문제를 다룬다. 그러한 질문은 물리적 법칙이 시스템 기능을 지배한다고 가정한다. 예를 들어, 그것은 경제적 생산을 구성하는 시스템이 소비자에 의해 주도된다고 가정하지 않고, 오히려 생산-소비 전체의 사이클이 물리적 법률에 의해 구조되고 주도된다고 가정한다.

이 이론은 오덤이 최대 권력 이론이라고 불렀다. 길릴랜드는 최대 동력 이론을 공식화하기 위해 오덤이 이미 잘 확립된 열역학 법칙에 또 다른 법칙(최대 동력 원리)을 추가했다고 관찰했다. 1978년 길릴란드는 오덤의 새로운 법이 아직 검증되지 않았다고 썼다(길릴란드 1978, 페이지 101). 길릴랜드는 최대 전력 이론에서 열역학 제2법칙 효율성은 "최대 전력 하에서의 제2법률 효율성의 개념"이라는 추가적인 물리적 개념을 필요로 한다고 말했다. (길릴랜드 1978, 페이지 101).

열역학 제1법칙이나 제2법칙에는 에너지 변환이나 프로세스가 발생하는 속도의 측도가 포함되지 않는다. 최대 전력의 개념은 에너지 변환의 측정에 시간을 통합한다. 그것은 한 종류의 에너지가 다른 에너지로 변환되는 속도에 대한 정보와 그 변환의 효율성에 대한 정보를 제공한다.

이와 같이 생물학적 진화의 선택적 법칙을 정량적으로 기술하기 위한 원리로서 최대 전력의 개념이 이용되고 있었다. 아마도 H.T.일 것이다.이 견해에 대한 오둠의 가장 간결한 진술은 다음과 같다(1970, 페이지 62).

로트카는 자연선택 이론을 최대 동력 조직자로 제공했다. 경쟁 조건 하에서 이용 가능한 에너지의 사용을 극대화하기 위해 다양한 구조 개발 활동에 에너지를 사용하는 시스템을 선택한다. 이 이론에 의해 상대적으로 적은 에너지를 배출하는 사이클 체계가 비교 개발에서 손실된다. 그러나 Leopold와 Langbein은 침식 프로파일, 미완더 시스템 및 지류 네트워크를 개발하는 하천이 그들의 채널이 더 직접적일 때보다 그들의 잠재적 에너지를 더 느리게 분산시킨다는 것을 보여주었다. 이 두 진술은 최적 효율 최대 전력 원리(Odum 및 Pinkerton 1955)에 의해 일치될 수 있다. 이는 열로 너무 빠르게 변환되는 에너지는 저장소를 통해 유용한 펌핑으로 공급되지 않고 대신 환경을 무작위로 교반하기 때문에 시스템 자체에서 사용할 수 없다는 것을 나타낸다.…을 수반하다

로트카의 제안에 대한 오덤-핑커튼 접근법은 옴의 법칙과 관련 최대 전력 정리(전력 시스템의 결과)를 생태계에 적용하는 것이었다. 오덤과 핑커튼은 전자 용어로 "힘"을 작업 속도로 정의했는데, 여기서 워크는 "유용한 에너지 변환"으로 이해된다. 따라서 최대 전력의 개념은 유용한 에너지 변환의 최대 속도로 정의될 수 있다. 따라서 기본 철학은 전자 및 열역학 시스템의 이론 및 관련 법칙을 생물학적 시스템과 통합하는 것을 목표로 한다. 이 접근법은 세계를 생태-전자-경제 엔진으로 보는 유추적 관점을 전제로 했다.

4차 열역학 법칙으로서 최대 동력원리 제안

볼츠만이 지적한 것은 생명체 싸움, 즉 유기세계의 진화에 있어서 근본적인 논쟁의 대상은 가용 에너지라는 것이다. 이러한 관찰과 일치하여, 생존을 위한 투쟁에서, 이점은 에너지를 흡수하는 장치가 이용 가능한 에너지를 종의 보존에 유리한 채널로 유도하는데 가장 효율적인 유기체들에게 돌아가야 한다는 원칙이다.

— A.J. Lotka 1922a, p. 147

...이 저자는 자연선택의 다윈 원리를 열역학 제4법칙으로 인용함으로써 생물학적·물리적 전통을 통합하는 것이 적절해 보이는데, 이는 불가역적인 생물학적 과정에서 열 발생률과 효율 설정의 제어원리이기 때문이다.

— H.T. Odum 1963, p. 437

...이제 로트카가 제시한 제4의 열역학 법칙으로서 최대 동력 원리를 인식할 때가 되었는지도 모른다.

— H.T. Odum 1994

단어의 정의

최대 전력 원리는 다음과 같이 명시할 수 있다. 자가 조직화 중에, 시스템 설계는 전력 섭취, 에너지 변환 및 생산과 효율을 강화하는 사용을 최대화하는 개발 및 우세하다. (H.T. Odum 1995, 페이지 311)

...최대의 동력원리는... 에너지의 흐름을 극대화하는 시스템이 경쟁에서 살아남는다는 것을 명시한다. 즉, 이 원리는 단순히 시간 단위당 더 많은 에너지가 최대 전력으로 작동하는 과정에서 변형된다는 사실을 받아들이기보다는 시스템 자체가 자연스럽게 구성되고 구조화돼 전력을 최대화한다는 것이다. 시스템은 최대 전력 원리에 따라 스스로 조절한다. 시간이 지남에 따라 전력을 최대화하는 시스템은 선택되지만, 그렇지 않은 시스템은 선택되어 결국 제거된다. 오둠은...라고 주장한다. 경제의 자유 시장 메커니즘이 인간 시스템에 대해 효과적으로 같은 일을 하고 있으며, 현재까지 우리의 경제 진화는 그러한 선택 과정의 산물이다. (Gililand 1978, 페이지 101–102)

오덤 외 최대 전력 정리를 단순한 전자 장치보다 더 넓은 적용으로 전력 효율 상호주의 선택 원리로 보았다. 예를 들어, Odum은 태양열 에너지와 광합성 (1963년, 페이지 438년)에서 모두와 같이 태양 에너지로 작동하는 개방형 시스템에서 그것을 보았다. 최대 전력 정리처럼 오덤의 최대 전력 원리에 대한 진술은 '매칭'의 개념에 의존한다. 즉, 고품질의 에너지가 에너지를 매칭하고 증폭시킴으로써 전력을 극대화한다(1994, 페이지 262, 541). "잔존 설계에서 더 많은 양의 저품질 에너지를 가진 고품질 에너지의 매칭이 발생할 가능성이 있다." (1998, 페이지 260). 전자 회로와 마찬가지로 에너지 변환의 결과 속도는 중간 전력 효율에서 최대가 될 것이다. 2006년 T.T. Cai, C.L. Montague, J.S. Davis는 "최대전력 원리는 생태계 발전과 지속가능성의 패턴과 과정을 이해하는 잠재적인 지침이다. 이 원칙은 이전에 개발되지 않은 에너지원을 포착하는 생태계 설계의 선택적 지속성을 예측한다."(2006, 페이지 317). 여러 텍스트에서 H.T. 오덤은 앳우드 기계를 최대 전력의 '원칙'의 실질적인 예로 들었다.

수학적 정의

H.T가 준 수학적 정의. 오덤은 공식적으로 최대 전력 정리 기사에 제공된 정의와 유사하다.(생태와 전자 관계의 오덤의 접근법에 대한 간략한 설명은 옴의 법칙의 생태학적 아날로그 참조)

현대 사상

최대 전력 효율의 원리를 열역학 제4법칙, 정력학 제4법칙으로 볼 수 있느냐 없느냐 하는 것은 무트다. 그럼에도 불구하고 H.T.오둠은 미생물계통, 경제계통, 행성계통, 천체물리계통의 진화를 설명하면서 진화의 조직원리로서 최대 동력의 산호관을 제안하기도 했다. 그는 이것을 최대 권한 부여 원칙이라고 불렀다. 이는 S.E. Jorgensen, M.T. Brown, H.T. Odum(2004) 노트처럼,

최대 동력은 낮은 수준의 프로세스에 우선순위를 부여하는 것으로 오해될 수 있다. ... 그러나 높은 수준의 변환 프로세스는 낮은 수준의 프로세스만큼 중요하다. ... 따라서 로트카의 원칙은 최대한의 권한을 위한 자기조직의 원칙이라고 명시함으로써 명확해진다.

— p. 18

C. Giannantoni는 "최대 전력 원리"(Lotka-Odum)를 썼을 때, "제4의 열역학 원리"(주로)로 간주되는 것은 매우 광범위한 물리적, 생물학적 시스템에 대한 실용적 타당성 때문이다"(C. Giannantoni 2002, § 13, 페이지 155)라고 썼을 때, 문제를 혼동했을지도 모른다. 그럼에도 불구하고, 지안난토니는 열역학(Giannantoni 2006)의 네 번째 원리로서 최대 전력 원리(Maximum Em-Power Principle)를 제시했다.

앞의 논의는 불완전하다. "최대 전력"은 물리학과 공학에서, 노비코프(1957년), 엘-와킬(1962년), 쿠르존과 알본(1975년)과 같은 독립적으로 여러 번 발견되었다. 이 분석과 설계 진화 결론의 부정확성은 Gyftopoulos(2002)에 의해 입증되었다.

참고 항목

참조

  1. ^ Tilley, David Rogers (2004). "Howard T. Odum's contribution to the laws of energy" (PDF). Ecological Modelling. 178: 121–125. doi:10.1016/j.ecolmodel.2003.12.032.
  2. ^ H.T. Odum 1995, 페이지 311
  • T.T. Cai, C.L. Montague 및 J.S. Davis(2006) '최대 전력 원리: 경험적 조사', 생태학적 모델링, 제190권, 문제 3-4, 317-335페이지
  • G.Q. Chen(2006) '구체화된 엑서지에 기초한 엑서지 및 생태적 평가의 위험성', 비선형 과학 및 수치 시뮬레이션에서의 커뮤니케이션, 제11권, 제4권, 제4권, 7월, 제531쪽–552쪽
  • R. 코스탄자, J.H.쿰버랜드, H.E.달리, R.굿랜드와 R.B.노르가르드(1997) 생태경제학 소개, CRC 프레스 – St. 루시 프레스, 퍼스트 에디션.
  • F.L. 커슨과 B.Ahlborn(1975) "최대 출력 시 카르노 엔진의 효율성", Am J Phys, 43, 페이지 22–24.
  • C.Giannantoni(2002) 질 열역학, 세르비지 그라피치 편집기, 파도바(Padova)의 기초로서 최대 전자파워 원리.
  • C.지안난토니(2006) 생성과정을 위한 수학: 생활 및 비생활 시스템, Journal of Computing and Applied Mathical, 제189권, 제1-2권, 제324-340쪽.
  • M.W. Gilliland Ed. (1978) 에너지 분석: 새로운 공공 정책 도구, AAA 선정 심포비아 시리즈, 웨스트뷰 프레스, 콜로라도 볼더.
  • C.A.S.Hall (1995) 최대 전력: H.T의 아이디어와 응용.오덤, 콜로라도 대학 출판부.
  • C.A.S. Hall (2004) '최대 전력의 지속적 중요성', 생태학적 모델링, 제178권, 제1-2호, 제15권, 제107쪽–113쪽
  • H.W. 잭슨(1959) 전자회로 소개, 프렌티스-홀.
  • S.E.조르겐센, M.T.브라운, H.T.오덤(2004) '우주의 에너지 계층 구조와 변화', 생태 모델링, 178, 페이지 17–28
  • A.L.L.Lehninger (1973) Bierenergetics, W.A. Benjamin 주식회사.
  • A.J.Lotka(1922a) '진화의 정력화에 기여' [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8: 페이지 147–51.
  • A.J.Lotka(1922b) '물리적 원리로서 자연선택' [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8, 페이지 151–4.
  • H.T.Odum(1963) '인간을 포함하는 외딴 생태계의 한계', 미국 생물학 교사, 제25권, 제6권, 페이지 429–443.
  • H.T.Odum(1970) 수원의 에너지 값. 제19회 남부 수자원 및 오염 통제 회의에서
  • H.T.Odum(1978) M.W. Gilliland Ed. (1978) 에너지 분석의 '에너지 품질과 환경': 새로운 공공 정책 도구, AAA 선정 심포비아 시리즈, 웨스트뷰 프레스, 콜로라도 볼더.
  • H.T.Odum(1994) 생태 및 일반 시스템: 콜로라도 대학 출판부의 시스템 생태학 소개
  • H.T.Odum(1995) C.A.S.의 '자체 조직과 최대 권한 부여'홀(에드) 최대 전력: H.T.의 아이디어와 응용콜로라도 주 콜로라도 대학 출판부의 오둠.
  • H.T.오둠과 R.C.핑커튼(1955) '시간의 속도 조절기: 물리적 및 생물학적 시스템 ', Am. Sci, 43 페이지 331–343에서 최대 출력에 대한 최적 효율성.
  • H.T.Odum과 M.T.Brown(2007) 21세기 환경, 전력 및 사회: 컬럼비아 대학 출판부의 에너지 계층.
  • M.Trivus(1961) § 16.11 "전력 생산에 사용되는 선형 시스템의 일반화 처리", 온도조절기 및 열역학, Van Nostland, University Series of Basic Engineering, 페이지 619.
  • 노비코프 I, (1958) 원자력 발전소의 효율성. J. 핵에너지 II, 제7권, 페이지 125–128, 아톰나야 에네르기아, 제3권 (1957), 제11호, 페이지 409에서 번역됨
  • 엘-와킬, M. M.(1962) 뉴욕 맥그라우힐 원자력 공학 페이지 162–165.
  • Curzon F. L., Ahlborn B, (1975) Carnot 엔진의 최대 출력 효율, American Journal of Physics, Vol. 43, 페이지 22–24.
  • Gyftopoulos E. P., (2002) Curzon-Ahlborn 효율성과 전력 생산 공정과의 연결 부족에 관하여, 에너지 전환 및 관리, 제43권, 페이지 609–615.