化工工艺学-《化工工艺学》课程教学大纲

Chapter4Energyflowintheagroecosystem农业生态系统的能量流任何生命过程无不自始至终贯穿着能量、物质和信息的有组织、有秩序的流动。能量的输入、传递、转化、做功，是生态系统最重要的功能；农业生态系统的能量流动，是体现农业生产持续运转的基本过程。ThelawsofthermodynamicsdescribethetransformationofenergyfromoneformtoanotherThefirstlawofthermodynamicsdealswiththeconservationofenergy,statingthatonekindofenergymaybetransformedintoanotherform,energyitselfcannotbecreatedordestroyed.热力学第一定律认为：一个系统的任何状态的变化，都伴随着吸热、放热和做功，而系统的总能量并不增加或减少，它是守恒的。即ΔE=ΔQ+ΔW。ΔE表示系统内能的变化，ΔQ表示系统吸热或放热，ΔW表示自身做功或系统对外做功。热力学第二定律（能量衰变定律）Thesecondlawofthermodynamicsbasicallysaysthatnoenergytransferfromoneformtoanotheris100%efficient(often,theadditionalenergyislostasheat).由于总有一部分能量散发为不能再利用的热能，能量从一种形态转变为另一种形态的效率，总不可能是百分之百。Prigogine’sdissipativestructure耗散结构是指在远离平衡区的非平衡状态下，系统可能出现的一种稳定化的有序结构。一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环境所进行的物质、能量的不断交换，就能克服无序状态，维持稳定状态。太阳能微生物二级肉食动物一级肉食动物草食动物绿色植物（生产者）各种辅助能（化肥、农药、机械）（提高植物对太阳能的利用率）Sun农业生态系统PyramidofenergyflowEnergyorTrophicPyramidFoodChain食物链Thetransferoffoodenergyfromthesourceinautotrophs(plants)throughaseriesoforganismsthatconsumeandareconsumediscalledthefoodchain.食物链是指在生态系统中来源于植物的食物能，通过一系列吃与被吃的营养关系，把生物与生物联系起来的生物链条。每个链节上的生物都构成下一链节生物的食物能来源。食物链的不同链节称为营养级。植物是第一营养级，草食动物是第二营养级，依次类推。水稻稻飞虱青蛙蛇老鹰营养级一二三四五3rd-levelcarnivore2nd-levelcarnivore1stlevelcarnivoresHerbivoresPrimaryproducer(Greenplants)sparrowhawkThrushSnailCloverAgeneralizedfoodchainshowingthepassageoffoodfromproducertothirdlevelcarnivores食物链类型Typesoffoodchain•根据食性的不同，食物链分为四种类型：•捕食食物链Grazingfoodchain•腐食食物链（又称碎屑食物链或残渣食物链）Detritusfoodchain•混合食物链MixedFoodchain•寄生食物链ParasitismfoodchainLindeman'slawoftrophicefficiencyAstheenergyistransferredupwardthroughtrophiclevels,theamountofproductionenergyavailabletothenextlevelbecomessmallerandsmaller.LindemanwasanecologistwhoworkedontheecologyofasmalllakeinMinnesota.Hediedin1942whenhewasonly26yearsold.Hislastpaperpublishedin1942afterhisdeath.Lindeman'slawoftrophicefficiencystatesthattheefficiencyofenergytransferfromonetrophicleveltothenextisabout10%.林德曼的十分之一定律：在自然条件下，每年从任何一个营养级上能收获到的生产量，按能量计只不过是它前一个营养级生产量的十分之一左右。农业生态系统的辅助能农业生态系统的两类输入能（一）Solarenergy农业生态系统的最主要能量来源是日光能。（二）Auxiliaryenergy除太阳能以外对农业生态系统施加的能量称为辅助能。辅助能分自然能和人工辅助能。1.自然能包括风、雨、流水等。2.人工辅助能包括生物能和工业辅助能。(1)工业辅助能包括化肥、农药、农机、电力、薄膜等。(2)生物辅助能包括劳动力、畜力、种子、有机肥等。Rolesofartificialauxiliaryenergy人工辅助能的作用辅助能主要通过改善农业生态系统中的一些限制因子，改善系统的功能，从而提高农业生产力。农业生态系统处在生态演替的前期单一而不稳定的阶段。功能上缺乏足够的自我调节和再生机制，应用辅助能可以在一定程度上控制演替趋势，部分弥补农业生态系统功能的不足。辅助能的应用是农业增产的重要原因。农业上主要的辅助能1．良种的培育；2．生态工程建设，为农业生物提供良好的物理环境；3．使用农机具，提高劳动生产率；4．使用化肥、农药、农膜、生长调节剂和人工合成饲料、兽药等，提供生态系统的能量转换效率，减少物质能量消耗。工业辅助能投入来的问题工业辅助能投入的增加也带来了能源短缺、环境污染和成本提高等问题。今后应优化辅助能投入，提高辅助能的利用效率。未来农业更多的是应该更多地投入科学技术和信息，替代工业辅助能的直接投入。一、能流符号和能流图解a.能源b.能量贮存库c.消费者亚库d.衰变能量的散失e.几个能流的相互作用f.能流与资金流的交换g.生产者亚库提高能量转化效率的途径（一）调整生物结构。（二）优化投入组合。（三）改善资源基础状况。（四）采用节能技术。自然生态系统与农业生态系统的比较（一）自然生态系统可能具有较高的能量生产水平，但其生产的物质和能量大多人类不可直接利用。（二）农业生态系统的特征是大量输入人工辅助能，同时向系统外大量输出农产品，是一个更加开放的系统。不同类型农业生态系统的能流水平与能流结构（一）在原始农业和传统的自给型农业中，辅助能的投入上水平很低，主要是生物辅助能投入。（二）现代农业中投入的主要是工业辅助能。