Из определения экосистемы (совокупности организмов и неорганических компонентов, в которых осуществляются круговорот веществ и обмен энергией) создается впечатление, что экосистеме не присущи процессы обмена с внешней средой. Однако это не так. Любой экосистеме свойственны не только определенная материальная, пространственная и временная структура, но и энергомассообмен с внешней средой или его отсутствие.
В зависимости от характера взаимодействия систем с внешней средой их можно подразделить на замкнутые (изолированные), закрытые и открытые.
Замкнутая (изолованирная) система – система, у которой отсутствует обмен энергией и веществом с внешней средой.
Закрытые системы – системы, которые могут обмениваться энергией с внешней средой, например путем теплообмена или совершения работы.
Открытые системы обмениваются с окружающей средой как энергией, так и веществом.
Направленность и возможность протекания процессов в системах в зависимости от параметров и характера обмена с внешней средой рассматриваются в разделах термодинамики.
Возможно ли использование законов термодинамики для экосистем? Да, возможно, ибо экосистемы, так же как и любые системы, характеризуются материальной, пространственной и временной структурой, а также обменом потоков энергии и вещества.
В соответствии с этим энергетика экосистемы подчиняется первому началу термодинамики, или закону сохранения энергии (энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую). Математически это можно записать следующим образом:
, (8.1)
где – изменение внутренней энергии системы; – количество переданной системе теплоты; – количество переданной системе энергии; – работа внешних сил, совершенная над системой.
Первое начало термодинамики характеризует лишь балансы тепловых процессов и не отвечает на вопрос, в каком направлении они будут протекать в действительности.
Второе начало (закон) термодинамики используется для определения направления процессов и положения равновесия. Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики:
тепло не может самопроизвольно перетекать от менее нагретых тел к более нагретым;
невозможно создать вечный двигатель второго рода;
при любых превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла (это определение в экологии используется наиболее часто).