Maximum-Power-Prinzip – Wikipedia
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Das Maximum-Power-Prinzip oder Lotkas Prinzip[1] wurde als viertes Prinzip der Energetik in der Thermodynamik offener Systeme vorgeschlagen, wobei ein Beispiel für ein offenes System eine biologische Zelle ist. Howard T. Odum: “Das Prinzip der maximalen Leistung kann angegeben werden: Während der Selbstorganisation entwickeln und setzen sich Systemdesigns durch, die die Leistungsaufnahme, die Energieumwandlung und die Anwendungen maximieren, die die Produktion und Effizienz steigern.”[2]
Geschichte[edit]
Chen (2006) hat den Ursprung der Erklärung der maximalen Macht als formales Prinzip in einem vorläufigen Vorschlag von Alfred J. Lotka (1922a, b) lokalisiert. Lotkas Aussage versuchte, den darwinistischen Begriff der Evolution unter Bezugnahme auf ein physikalisches Prinzip zu erklären. Lotkas Arbeit wurde später vom Systemökologen Howard T. Odum in Zusammenarbeit mit dem Chemieingenieur Richard C. Pinkerton entwickelt und später vom Ingenieur Myron Tribus weiterentwickelt.
Während Lotkas Arbeit ein erster Versuch gewesen sein mag, das evolutionäre Denken in mathematischen Begriffen zu formalisieren, folgte es ähnlichen Beobachtungen, die Leibniz und Volterra und Ludwig Boltzmann beispielsweise in der manchmal kontroversen Geschichte der Naturphilosophie gemacht haben. In der zeitgenössischen Literatur wird es am häufigsten mit der Arbeit von Howard T. Odum in Verbindung gebracht.
Die Bedeutung des Ansatzes von Odum wurde in den 1970er Jahren in Zeiten der Ölkrise, in denen, wie Gilliland (1978, S. 100) feststellte, zunehmend nach einer neuen Methode zur Analyse der Bedeutung und des Werts von Energieressourcen gesucht wurde, stärker unterstützt zur wirtschaftlichen und ökologischen Produktion. Ein Feld, das als Energieanalyse bekannt ist und selbst mit Nettoenergie und EROEI assoziiert ist, entstand, um diesen analytischen Bedarf zu decken. Bei der Energieanalyse traten jedoch unlösbare theoretische und praktische Schwierigkeiten auf, wenn die Energieeinheit verwendet wurde, um a) die Umwandlung zwischen konzentrierten Brennstofftypen (oder Energietypen), b) den Beitrag der Arbeit und c) den Beitrag der Umwelt zu verstehen.
Philosophie und Theorie[edit]
Lotka sagte (1922b: 151):
Das Prinzip der natürlichen Auslese zeigt sich in der Lage, Informationen zu liefern, für deren Auslieferung der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht zuständig sind. Die beiden Grundgesetze der Thermodynamik reichen natürlich nicht aus, um den Verlauf der Ereignisse in einem physikalischen System zu bestimmen. Sie sagen uns, dass bestimmte Dinge nicht passieren können, aber sie sagen uns nicht, was passiert.
Gilliland stellte fest, dass diese Schwierigkeiten bei der Analyse wiederum eine neue Theorie erforderten, um die Wechselwirkungen und Transaktionen dieser verschiedenen Energien (unterschiedliche Konzentrationen von Brennstoffen, Arbeitskräften und Umweltkräften) angemessen zu erklären. Gilliland (Gilliland 1978, S. 101) schlug vor, dass Odums Aussage zum Maximum-Power-Prinzip (HTOdum 1978, S. 54–87) möglicherweise ein angemessener Ausdruck der erforderlichen Theorie war:
Diese Theorie, wie sie durch das Maximum-Power-Prinzip ausgedrückt wird, befasst sich mit der empirischen Frage, warum sich Systeme jeglicher Art oder Größe in den beobachteten Mustern organisieren. Eine solche Frage setzt voraus, dass physikalische Gesetze die Systemfunktion regeln. Es wird beispielsweise nicht davon ausgegangen, dass das System der wirtschaftlichen Produktion von den Verbrauchern angetrieben wird. Vielmehr ist der gesamte Zyklus von Produktion und Verbrauch durch physikalische Gesetze strukturiert und gesteuert.
Diese Theorie nennt Odum Maximum-Power-Theorie. Um die Theorie der maximalen Leistung zu formulieren, stellte Gilliland fest, dass Odum den bereits gut etablierten Gesetzen der Thermodynamik ein weiteres Gesetz (das Prinzip der maximalen Leistung) hinzugefügt hatte. 1978 schrieb Gilliland, dass Odums neues Gesetz noch nicht validiert worden sei (Gilliland 1978, S. 101). Gilliland stellte fest, dass in der Theorie der maximalen Leistung die Effizienz der Thermodynamik nach dem zweiten Gesetz ein zusätzliches physikalisches Konzept erfordert: “das Konzept der Effizienz nach dem zweiten Gesetz unter maximaler Leistung” (Gilliland 1978, S. 101):
Weder der erste noch der zweite Hauptsatz der Thermodynamik enthalten ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der Energieumwandlungen oder -prozesse stattfinden. Das Konzept der maximalen Leistung bezieht Zeit in Maßnahmen zur Energieumwandlung ein. Es liefert Informationen über die Geschwindigkeit, mit der eine Art von Energie in eine andere umgewandelt wird, sowie über die Effizienz dieser Umwandlung.
Auf diese Weise wurde das Konzept der maximalen Leistung als Prinzip verwendet, um das selektive Gesetz der biologischen Evolution quantitativ zu beschreiben. Die vielleicht prägnanteste Aussage von HTOdum zu dieser Ansicht war (1970, S. 62):
Lotka lieferte die Theorie der natürlichen Auslese als Organisator maximaler Macht; Unter Wettbewerbsbedingungen werden Systeme ausgewählt, die ihre Energien in verschiedenen strukturentwickelnden Maßnahmen einsetzen, um die Nutzung der verfügbaren Energien zu maximieren. Durch diese Theorie verlieren Systeme von Zyklen, die weniger Energie verbrauchen, in der vergleichenden Entwicklung. Leopold und Langbein haben jedoch gezeigt, dass Ströme bei der Entwicklung von Erosionsprofilen, Mäandersystemen und Nebennetzen ihre potentiellen Energien langsamer zerstreuen, als wenn ihre Kanäle direkter wären. Diese beiden Aussagen könnten durch ein Maximum-Power-Prinzip mit optimalem Wirkungsgrad (Odum und Pinkerton 1955) harmonisiert werden, das darauf hinweist, dass Energien, die zu schnell in Wärme umgewandelt werden, dem systemeigenen Gebrauch nicht zur Verfügung gestellt werden, da sie nicht durch Speicher in nützliche zurückgeführt werden Pumpen, sondern zufällige Umrühren der Umgebung.
Der Odum-Pinkerton-Ansatz für Lotkas Vorschlag bestand darin, das Ohmsche Gesetz – und den damit verbundenen Maximalleistungssatz (ein Ergebnis in elektrischen Energiesystemen) – auf ökologische Systeme anzuwenden. Odum und Pinkerton definierten “Macht” in elektronischen Begriffen als die Arbeitsgeschwindigkeit, wobei Arbeit als “nützliche Energieumwandlung” verstanden wird. Das Konzept der maximalen Leistung kann daher als das definiert werden maximal Teil von nützlich Energieumwandlung. Daher zielt die zugrunde liegende Philosophie darauf ab, die Theorien und damit verbundenen Gesetze elektronischer und thermodynamischer Systeme mit biologischen Systemen zu vereinen. Dieser Ansatz setzte eine analoge Sichtweise voraus, die die Welt als ökologisch-elektronisch-ökonomischen Motor betrachtet.
Vorschläge für das Maximum-Power-Prinzip als 4. thermodynamisches Gesetz[edit]
Boltzmann hat darauf hingewiesen, dass das grundlegende Streitobjekt im Lebenskampf, in der Entwicklung der organischen Welt, die verfügbare Energie ist. In Übereinstimmung mit dieser Beobachtung ist das Prinzip, dass im Kampf ums Dasein der Vorteil jenen Organismen zugute kommen muss, deren Energieerfassungsvorrichtungen die verfügbare Energie am effizientesten in Kanäle leiten, die für die Erhaltung der Art günstig sind.
– –AJ Lotka 1922a, p. 147
… erscheint es diesem Autor angemessen, die biologischen und physikalischen Traditionen zu vereinen, indem er dem darwinistischen Prinzip der natürlichen Auslese das Zitat als vierter Hauptsatz der Thermodynamik, da es das Steuerprinzip in Bezug auf die Wärmeerzeugungsrate und die Effizienz bei irreversiblen biologischen Prozessen ist.
– –HT Odum 1963, p. 437
… es könnte an der Zeit sein, das Prinzip der maximalen Leistung als viertes thermodynamisches Gesetz zu erkennen, wie es von Lotka vorgeschlagen wurde.
– –HT Odum 1994
Definition in Worten[edit]
Das Maximum-Power-Prinzip kann angegeben werden: Während der Selbstorganisation entwickeln und setzen sich Systemdesigns durch, die die Leistungsaufnahme, die Energieumwandlung und die Anwendungen maximieren, die die Produktion und Effizienz steigern. (HT Odum 1995, S. 311)
… das Maximum-Power-Prinzip … besagt, dass Systeme, die ihren Energiefluss maximieren, im Wettbewerb überleben. Mit anderen Worten, anstatt nur die Tatsache zu akzeptieren, dass mehr Energie pro Zeiteinheit in einen Prozess umgewandelt wird, der mit maximaler Leistung arbeitet, besagt dieses Prinzip, dass Systeme sich auf natürliche Weise organisieren und strukturieren, um die Leistung zu maximieren. Systeme regeln sich nach dem Maximum-Power-Prinzip. Im Laufe der Zeit werden die Systeme ausgewählt, die die Leistung maximieren, während diejenigen, die nicht ausgewählt werden, ausgewählt und schließlich eliminiert werden. … Odum argumentiert … dass die freien Marktmechanismen der Wirtschaft für menschliche Systeme effektiv dasselbe tun und dass unsere bisherige wirtschaftliche Entwicklung ein Produkt dieses Auswahlprozesses ist. (Gilliland 1978, S. 101–102)
Odum et al. betrachtete den Satz der maximalen Leistung als ein Prinzip von Auswahl der Reziprozität der Energieeffizienz mit einer breiteren Anwendung als nur Elektronik. Odum sah es beispielsweise in offenen Systemen, die mit Solarenergie betrieben werden, wie Photovoltaik und Photosynthese (1963, S. 438). Wie der Satz der maximalen Leistung beruht Odums Aussage über das Prinzip der maximalen Leistung auf dem Begriff der “Anpassung”, so dass hochwertige Energie die Leistung durch Anpassen und Verstärken der Energie maximiert (1994, S. 262, 541): “in überlebenden Entwürfen a Es ist wahrscheinlich, dass eine Anpassung von Energie hoher Qualität an größere Mengen von Energie niedriger Qualität auftritt “(1994, S. 260). Wie bei elektronischen Schaltungen ist die resultierende Energieumwandlungsrate bei einem mittleren Wirkungsgrad maximal. Im Jahr 2006 sagten TT Cai, CL Montague und JS Davis: “Das Maximum-Power-Prinzip ist ein potenzieller Leitfaden zum Verständnis der Muster und Prozesse der Ökosystementwicklung und -nachhaltigkeit. Das Prinzip sagt die selektive Persistenz von Ökosystemdesigns voraus, die eine zuvor ungenutzte Energie erfassen Quelle.” (2006, S. 317). In mehreren Texten gab HT Odum die Atwood-Maschine als praktisches Beispiel für das “Prinzip” maximaler Leistung an.
Mathematische Definition[edit]
Die mathematische Definition von HT Odum ist formal analog zu der Definition im Artikel über den Satz der maximalen Leistung. (Für eine kurze Erklärung von Odums Herangehensweise an die Beziehung zwischen Ökologie und Elektronik siehe Ökologisches Analogon des Ohmschen Gesetzes)
Zeitgenössische Ideen[edit]
Ob das Prinzip der maximalen Leistungseffizienz als vierter Hauptsatz der Thermodynamik und vierter Grundsatz der Energetik angesehen werden kann oder nicht, ist umstritten. Dennoch schlug HT Odum auch eine Folge maximaler Leistung als Organisationsprinzip der Evolution vor, die die Evolution von mikrobiologischen Systemen, Wirtschaftssystemen, Planetensystemen und astrophysikalischen Systemen beschreibt. Er nannte diese Folgerung die maximale Ermächtigung Prinzip. Dies wurde vorgeschlagen, weil, wie SE Jorgensen, MT Brown, HT Odum (2004) bemerken,
Maximale Leistung kann missverstanden werden, um Prozessen auf niedriger Ebene Vorrang einzuräumen. … Die übergeordneten Transformationsprozesse sind jedoch genauso wichtig wie die untergeordneten Prozesse. … Daher wird Lotkas Prinzip klargestellt, indem es als das Prinzip der Selbstorganisation für das Maximum bezeichnet wird ermächtigen.
– –p. 18
C. Giannantoni hat möglicherweise die Dinge verwirrt, als er schrieb: “Das” Maximum-Em-Power-Prinzip “(Lotka-Odum) wird allgemein als” viertes thermodynamisches Prinzip “(hauptsächlich) angesehen, da es für eine sehr breite Klasse von physikalischen und biologischen Aspekten praktisch gültig ist Systeme “(C. Giannantoni 2002, § 13, S. 155). Trotzdem hat Giannantoni das Maximum-Em-Power-Prinzip als viertes Prinzip der Thermodynamik vorgeschlagen (Giannantoni 2006).
Die vorangegangene Diskussion ist unvollständig. Die “maximale Leistung” wurde mehrmals unabhängig voneinander in Physik und Technik entdeckt, siehe: Novikov (1957), El-Wakil (1962) sowie Curzon und Ahlborn (1975). Gyftopoulos (2002) hat gezeigt, dass diese Analyse und die Schlussfolgerungen zur Designentwicklung falsch sind.
Siehe auch[edit]
Verweise[edit]
- TT Cai, CL Montague und JS Davis (2006) ‘Das Maximum-Power-Prinzip: Eine empirische Untersuchung’, Ökologische Modellierung, Band 190, Ausgaben 3–4, Seiten 317–335
- GQ Chen (2006) ‘Exergieknappheit und ökologische Bewertung basierend auf verkörperter Exergie’, Kommunikation in nichtlinearer Wissenschaft und numerischer Simulation, Band 11, Ausgabe 4, Juli, Seiten 531–552.
- R. Costanza, JHCumberland, HEDaly, R. Goodland und RBNorgaard (1997) Eine Einführung in die ökologische Ökonomie, CRC Press – St. Lucie Press, Erstausgabe.
- FLCurzon und B.Ahlborn (1975) ‘Wirkungsgrad eines Carnot-Motors bei maximaler Leistung’, Am J Phys43, S. 22–24.
- C. Giannantoni (2002) Das Maximum-Em-Power-Prinzip als Grundlage für die Thermodynamik der Qualität, Servizi Grafici Editoriali, Padua.
- C. Giannantoni (2006) Mathematik für generative Prozesse: Lebende und nicht lebende Systeme, Zeitschrift für Computergestützte und Angewandte Mathematik, Band 189, Ausgabe 1–2, Seiten 324–340.
- MWGilliland ed. (1978) Energieanalyse: Ein neues Instrument für die öffentliche Ordnung, AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
- CASHall (1995) Maximale Leistung: Die Ideen und Anwendungen von HTOdum, Colorado University Press.
- CASHall (2004) ‘Die anhaltende Bedeutung maximaler Leistung’, Ökologische Modellierung, Band 178, Ausgabe 1–2, 15, Seiten 107–113
- HW Jackson (1959) Einführung in elektronische Schaltungen, Prentice-Hall.
- SEJorgensen, MTBrown, HTOdum (2004) ‘Energiehierarchie und Transformation im Universum’, Ökologische Modellierung178, S. 17–28
- ALLehninger (1973) Bioenergetics, WA Benjamin inc.
- AJLotka (1922a) ‘Beitrag zur Energetik der Evolution‘ [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8: S. 147–51.
- AJLotka (1922b) ‘Natürliche Auslese als physikalisches Prinzip‘ [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8, S. 151–4.
- HTOdum (1963) ‘Grenzen entfernter Ökosysteme, die den Menschen enthalten’, Der amerikanische BiologielehrerBand 25, Nr. 6, S. 429–443.
- HTOdum (1970) Energiewerte von Wasserquellen. in der 19. Southern Water Resources and Pollution Control Conference.
- HTOdum (1978) “Energiequalität und Umwelt”, in MWGilliland ed. (1978) Energieanalyse: Ein neues Instrument für die öffentliche Ordnung, AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
- HTOdum (1994) Ökologische und allgemeine Systeme: Eine Einführung in die Systemökologie, Colorado University Press.
- HTOdum (1995) “Selbstorganisation und maximale Ermächtigung”, in CASHall (Hrsg.) Maximale Leistung: Die Ideen und Anwendungen von HTOdum, Colorado University Press, Colorado.
- HTOdum und RCPinkerton (1955) ‘Zeitregler: Der optimale Wirkungsgrad für maximale Leistung in physikalischen und biologischen Systemen’, Am. Sci.43, S. 331–343.
- HTOdum und MTBrown (2007) Umwelt, Macht und Gesellschaft für das 21. Jahrhundert: Die Hierarchie der Energie, Columbia University Press.
- M.Tribus (1961) § 16.11 “Allgemeine Behandlung linearer Systeme zur Stromerzeugung”, Thermostatik und Thermodynamik, Van Nostrand, Universitätsreihe in Basic Engineering, p. 619.
- Novikov II. (1958). Die Effizienz von Atomkraftwerken. J. Nuclear Energy IIVol. 7, S. 125–128; übersetzt von Atomnaya EnergiaVol. 3, (1957), No. 11, p. 409
- El-Wakil, MM (1962) KernkrafttechnikMcGraw-Hill, New York, S. 162–165.
- Curzon FL, Ahlborn B., (1975) Wirkungsgrad eines Carnot-Motors bei maximaler Leistung, American Journal of PhysicsVol. 43, S. 22–24.
- Gyftopoulos EP, (2002). Über die Effizienz von Curzon-Ahlborn und die mangelnde Verbindung zu Stromerzeugungsprozessen Energieumwandlung und -managementVol. 43, S. 609–615.
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