Principio de máxima potencia
El principio de máxima potencia o principio de Lotka ha sido propuesto como el cuarto principio de la energética en la termodinámica de sistemas abiertos. Según el ecologista estadounidense Howard T. Odum, "El principio de potencia máxima se puede enunciar: durante la autoorganización, se desarrollan y prevalecen diseños de sistemas que maximizan el consumo de energía, la transformación de energía y aquellos usos que refuerzan la producción y la eficiencia". 34;
Historia
Chen (2006) ha situado el origen de la afirmación del poder máximo como principio formal en una propuesta tentativa de Alfred J. Lotka (1922a, b). La afirmación de Lotka buscaba explicar la noción darwiniana de evolución con referencia a un principio físico. El trabajo de Lotka fue desarrollado posteriormente por el ecologista de sistemas Howard T. Odum en colaboración con el ingeniero químico Richard C. Pinkerton, y posteriormente avanzado por el ingeniero Myron Tribus.
Si bien el trabajo de Lotka puede haber sido un primer intento de formalizar el pensamiento evolucionista en términos matemáticos, siguió observaciones similares realizadas por Leibniz, Volterra y Ludwig Boltzmann, por ejemplo, a lo largo de la, a veces controvertida, historia de la filosofía natural. En la literatura contemporánea se asocia más comúnmente con la obra de Howard T. Odum.
La importancia del enfoque de Odum recibió mayor apoyo durante la década de 1970, en medio de tiempos de crisis del petróleo, cuando, como observó Gilliland (1978, pp. 100), surgía la necesidad de un nuevo método de análisis. la importancia y el valor de los recursos energéticos para la producción económica y ambiental. Para satisfacer esta necesidad analítica surgió un campo conocido como análisis energético, asociado a su vez con la energía neta y la TRE. Sin embargo, en el análisis energético surgieron dificultades teóricas y prácticas intratables al utilizar la unidad de energía para comprender, a) la conversión entre tipos de combustible concentrado (o tipos de energía), b) la contribución del trabajo, yc) la contribución del medio ambiente.
Filosofía y teoría
Lotka dijo (1922b: 151):
El principio de la selección natural se revela como capaz de producir información que las leyes primera y segunda de la termodinámica no son competentes para proporcionar. Las dos leyes fundamentales de la termodinámica son, por supuesto, insuficientes para determinar el curso de los acontecimientos en un sistema físico. Nos dicen que ciertas cosas no pueden suceder, pero no nos dicen lo que sucede.
Gilliland señaló que estas dificultades en el análisis requerían a su vez alguna teoría nueva para explicar adecuadamente las interacciones y transacciones de estas diferentes energías (diferentes concentraciones de combustibles, mano de obra y fuerzas ambientales). Gilliland (Gilliland 1978, p. 101) sugirió que la declaración de Odum sobre el principio de potencia máxima (H.T.Odum 1978, pp. 54-87) era, quizás, una expresión adecuada de la teoría requerida:
Esa teoría, como se expresa por el principio de potencia máxima, aborda la cuestión empírica de por qué los sistemas de cualquier tipo o tamaño se organizan en los patrones observados. Tal pregunta supone que las leyes físicas rigen la función del sistema. No supone, por ejemplo, que el sistema que comprende la producción económica sea impulsado por los consumidores, sino que todo el ciclo de consumo de producción está estructurado y impulsado por leyes físicas.
Esta teoría Odum la llamó teoría del máximo poder. Para formular la teoría de la máxima potencia, Gilliland observó que Odum había añadido otra ley (el principio de máxima potencia) a las ya bien establecidas leyes de la termodinámica. En 1978, Gilliland escribió que la nueva ley de Odum aún no había sido validada (Gilliland 1978, p. 101). Gilliland afirmó que en la teoría de la potencia máxima, la eficiencia de la segunda ley de la termodinámica requería un concepto físico adicional: "el concepto de eficiencia de la segunda ley bajo potencia máxima" (Gilliland 1978, pág. 101):
Ni la primera o segunda ley de la termodinámica incluye una medida de la tasa a la que se producen transformaciones o procesos energéticos. El concepto de potencia máxima incorpora tiempo en medidas de transformación energética. Proporciona información sobre la velocidad a la que un tipo de energía se transforma en otra, así como la eficiencia de esa transformación.
De esta manera se estaba utilizando el concepto de potencia máxima como principio para describir cuantitativamente la ley selectiva de la evolución biológica. Quizás la declaración más concisa de H.T.Odum sobre este punto de vista fue (1970, p. 62):
Lotka proporcionó la teoría de la selección natural como máximo organizador de energía; bajo condiciones competitivas se seleccionan sistemas que utilizan sus energías en diversas acciones de desarrollo estructural para maximizar su uso de energías disponibles. Por esta teoría los sistemas de ciclos que drenan menos energía pierden en el desarrollo comparativo. Sin embargo Leopold y Langbein han demostrado que los flujos en el desarrollo de perfiles de erosión, sistemas de media y redes afluentes dispersan sus energías potenciales más lentamente que si sus canales eran más directos. Estas dos declaraciones podrían armonizarse con un principio de potencia máxima de eficiencia óptima (Odum y Pinkerton 1955), lo que indica que las energías que se convierten demasiado rápidamente en calor no están disponibles para el propio uso de los sistemas porque no se alimentan de nuevo a través de los almacenamientos en la bombeo útil, sino que hacen revolvimiento aleatorio del medio ambiente.
El enfoque de Odum-Pinkerton a la propuesta de Lotka fue aplicar la ley de Ohm –y el teorema de potencia máxima asociado (un resultado en los sistemas de energía eléctrica)– a los sistemas ecológicos. Odum y Pinkerton definieron el "poder" en términos electrónicos como tasa de trabajo, donde el Trabajo se entiende como una "transformación de energía útil". El concepto de potencia máxima puede definirse, por tanto, como la tasa máxima de transformación de energía útil. De ahí que la filosofía subyacente tenga como objetivo unificar las teorías y leyes asociadas de los sistemas electrónicos y termodinámicos con los sistemas biológicos. Este enfoque presupone una visión analógica que ve el mundo como un motor ecológico-electrónico-económico.
Propuestas para el principio de máxima potencia como cuarta ley termodinámica
Boltzmann ha señalado que el objeto fundamental de la contención en la lucha por la vida, en la evolución del mundo orgánico, está disponible energía. De acuerdo con esta observación es el principio de que, en la lucha por la existencia, la ventaja debe ir a aquellos organismos cuyos dispositivos de captación de energía son más eficientes en la dirección de la energía disponible en canales favorables a la preservación de la especie.
—A.J. Lotka 1922a, pág. 147
Lotka subrayó la centralidad de la energía disponible en la lucha por la supervivencia y la evolución. Al afirmar que los organismos con mecanismos de captura de energía más eficientes obtienen una ventaja, Lotka esencialmente se alineó con el MPP. El MPP postula que los sistemas biológicos, como cualquier otro sistema complejo, tienden a evolucionar de manera que maximicen su consumo de energía o su flujo de energía. En este contexto, los organismos que capturan y utilizan eficazmente los recursos energéticos tienen más probabilidades de prosperar y propagarse, impulsando procesos evolutivos. La observación de Lotka proporciona una base teórica temprana para comprender el papel de la dinámica energética en la evolución biológica.
... parece que este autor apropiado para unir las tradiciones biológicas y físicas dando el principio Darwiniano de la selección natural la citación como cuarto derecho de la termodinámica, ya que es el principio de control en la tasa de generación de calor y la eficiencia en procesos biológicos irreversibles.
—H.T. Odum 1963, pág. 437
La propuesta de Odum de vincular la selección natural darwiniana con la cuarta ley de la termodinámica es significativa. Sugiere que los principios que gobiernan la evolución biológica están íntimamente relacionados con los de la termodinámica, particularmente los conceptos de flujo de energía y producción de entropía. Al considerar la selección natural como un proceso termodinámico, Odum implica que los organismos desarrollan rasgos y comportamientos que mejoran su captura y utilización de energía, de acuerdo con el MPP. Además, al enfatizar la regulación de la generación de calor y la eficiencia en los procesos biológicos, Odum destaca la importancia de optimizar la utilización de la energía para la supervivencia y la reproducción, haciéndose eco de los principios del MPP.
...puede ser el momento de reconocer el principio de potencia máxima como la cuarta ley termodinámica como sugiere Lotka.
—H.T. Odum 1994
La defensa de Odum por reconocer el MPP como la cuarta ley termodinámica representa la culminación de conocimientos anteriores sobre la relación entre la termodinámica y la biología. Al elevar el MPP al estado de ley termodinámica fundamental, Odum subraya su aplicabilidad universal en varios sistemas complejos, incluidos los biológicos. Esta perspectiva enfatiza que los sistemas biológicos, impulsados por los imperativos de supervivencia y reproducción, tienden a evolucionar de manera que maximicen su producción de energía, mejorando así su capacidad para explotar los recursos energéticos disponibles. Al reconocer el MPP como un principio rector, Odum destaca su poder explicativo para comprender la dinámica de los ecosistemas, las interacciones de las poblaciones y las trayectorias evolutivas.
Definición en palabras
El principio de potencia máxima se puede decir: Durante la autoorganización, los diseños del sistema se desarrollan y prevalecen que maximicen la ingesta de energía, la transformación energética y aquellos usos que refuerzan la producción y eficiencia. (H.T. Odum 1995, pág. 311)
...el principio de potencia máxima... establece que los sistemas que maximizan su flujo de energía sobreviven en la competencia. En otras palabras, en lugar de simplemente aceptar el hecho de que más energía por unidad de tiempo se transforma en un proceso que opera al máximo poder, este principio dice que los sistemas se organizan y estructuran naturalmente para maximizar el poder. Los sistemas se regulan según el principio de potencia máxima. Con el tiempo, los sistemas que maximizan el poder son seleccionados para los que no son seleccionados y eventualmente eliminados.... Odum argumenta... que los mecanismos de libre mercado de la economía efectivamente hacen lo mismo para los sistemas humanos y que nuestra evolución económica hasta la fecha es un producto de ese proceso de selección. (Gilliland 1978, págs. 101 a 102)
Odum et al. vio el teorema de potencia máxima como un principio de selección de reciprocidad de eficiencia energética con una aplicación más amplia que solo la electrónica. Por ejemplo, Odum lo vio en sistemas abiertos que funcionan con energía solar, como la fotovoltaica y la fotosíntesis (1963, p. 438). Al igual que el teorema de máxima potencia, la declaración de Odum sobre el principio de máxima potencia se basa en la noción de "emparejamiento", de modo que la energía de alta calidad maximiza la potencia al emparejar y amplificar la energía (1994, págs. 262). , 541): "en los diseños supervivientes es probable que se produzca una combinación de energía de alta calidad con mayores cantidades de energía de baja calidad" (1994, pág. 260). Al igual que con los circuitos electrónicos, la tasa resultante de transformación de energía será máxima con una eficiencia energética intermedia. En 2006, T.T. Cai, C.L. Montague y J.S. Davis dijo que "el principio de potencia máxima es una guía potencial para comprender los patrones y procesos de desarrollo y sostenibilidad de los ecosistemas". El principio predice la persistencia selectiva de diseños de ecosistemas que capturan una fuente de energía previamente no explotada." (2006, pág. 317). En varios textos H.T. Odum citó la máquina de Atwood como ejemplo práctico del "principio" de la ciencia. de máxima potencia.
Definición matemática
La definición matemática dada por H.T. Odum es formalmente análogo a la definición proporcionada en el artículo del teorema de la máxima potencia. (Para una breve explicación del enfoque de Odum sobre la relación entre ecología y electrónica, ver Análogo ecológico de la ley de Ohm)
Ideas contemporáneas
Si el principio de máxima eficiencia energética puede considerarse o no la cuarta ley de la termodinámica y el cuarto principio de la energética es discutible. Sin embargo, H.T. Odum también propuso un corolario del poder máximo como principio organizativo de la evolución, describiendo la evolución de los sistemas microbiológicos, los sistemas económicos, los sistemas planetarios y los sistemas astrofísicos. Llamó a este corolario el principio de empoderamiento máximo. Esto se sugirió porque, como señala S.E. Jorgensen, MT. Marrón, HT. Nota de Odum (2004),
La potencia máxima podría ser malinterpretada para dar prioridad a los procesos de bajo nivel.... Sin embargo, los procesos de transformación de nivel superior son tan importantes como los procesos de bajo nivel.... Por lo tanto, el principio de Lotka es aclarado declarando que es el principio de la auto organización para el máximo Empoderamiento.
—p. 18
C. Giannantoni puede tener asuntos confusos cuando escribió "El "Principio Máximo Em-Power" (Lotka-Odum) se considera generalmente el "Principio Termodinámico de la Fuerza" (principio principalmente) debido a su validez práctica para una clase muy amplia de sistemas físicos y biológicos" (C. Giannantoni 2002, § 13, p. 155). Sin embargo, Giannantoni ha propuesto el Principio Máximo Em-Power como el cuarto principio de la termodinámica (Giannantoni 2006).
La discusión anterior está incompleta. La "potencia máxima" fue descubierto varias veces de forma independiente, en física e ingeniería, ver: Novikov (1957), El-Wakil (1962) y Curzon y Ahlborn (1975). Gyftopoulos (2002) demostró la incorrección de este análisis y las conclusiones de la evolución del diseño.