עקרון ההספק המקסימלי

עקרון ההספק המקסימלי בשפת מערכות אנרגיה.

עקרון ההספק המקסימלי (באנגלית: Maximum Power principle) הוא רעיון לפיו מערכות הנמצאות בתהליך אבולוציוני, שואפות למצב בו זרם האנרגיה העובר דרכן הוא בגודל מקסימלי. המושג הוצע כעקרון הרביעי של אנרגטיקה ושל תרמודינמיקה של מערכות פתוחות.

היסטוריה

צ'ן העיר כי רעיון זה הוצע באופן זמני על ידי אלפרד לוטקה בשנת 1922. רעיון זה פותח בהמשך על ידי אקולוג המערכות האווארד ת. אודום בשיתוף פעולה עם המהנדס הכימי ריצ'ארד סי. פינקרטון (Richard C. Pinkerton). לאחר מכן קידם את הרעיון המהנדס מיירון טריבוס (Myron Tribus). טריבוס הולך בעקבות הבחנות דומות (על ידי לייבניץ וולטרה לדוגמה), שבוצעו במהלך ההיסטוריה של הפילוסופיה של הטבע.

במערכות כוח חשמליות קיים חוק אוהם, וקיימת התאוריה המשוייכת אליו של מקסימום הספק חשמלי.[1]

הגישה של אודום ופינקרטון היתה ליישם את חוק אוהם והרעיון של הספק מקסימלי למערכות אקולוגיות. בדרך זו, הם השתמשו ברעיון של הספק מקסימלי כעקרון שמתאר באופן כמותי את החוק של אבולוציה ביולוגית. אודום ופינקרטון הגדירו "הספק" במונחים חשמליים כקצב של עבודה, כאשר עבודה מובנת כ"טרנספורמציה מועילה של אנרגיה". המושג של הספק מקסימלי יכול לכן להיות מוגדר כקצב המקסימלי של המרה מועילה של אנרגיה. גישה זו מניחה מראש ראיה אנלוגית המסתכלת על העולם כמנוע אקולוגי-אלקטרוני-כלכלי.

הגדרה במילים

	עקרון ההספק המירבי יכול להיות מנוסח כך: במהלך התארגנות עצמית, עיצובי מערכת מתפתחים ומנצחים באופן שהם ממקסמים את הצריכה של כוח, המרת אנרגיה ושימושים שמחזקים ייצור ויעילות.
-- האווארד אודום, 1995, עמוד 311.

הסבר העקרון

איור של "מכונת אוטווד". המסה m₁ מאיצה כלפי מטה ומושכת למעלה את m₂ המכונה מדגימה את הקשר בין יעילות אנרגטית לבין הספק. אם נאט את המערכת מאוד היא תהיה יעילה יותר, אבל כך נפיק פחות הספק.

אודום השתמש בעקרון האנרגיה של לוקטה כקריטריון אבולוציוני במערכות. הוא הבדיל בין יעילות אנרגטית (היחס בין תפוקות מועילות לסך התשומות) במערכות, לבין ההספק (הקצב בו מתבצעת עבודה מועילה) וקישר בין שני המושגים האלה.

כאשר היעילות האנרגטית היא אפס, גם ההספק הוא אפס בגלל שלא מתבצעת כל עבודה מועילה. אבל גם במצב של יעילות אנרגטית מקסימלית, ההספק הוא אפס. הדבר נובע מהחוק השני של התרמודינמיקה שקובע שכדי להגיע ליעילות מקסימלית יש להניע תהליכים בצורה הניתנת להיפוך בזמן, או בצורה איטית בצורה אינסופית. לפיכך, הקצב בו מתבצעת עבודה שואף לאפס. ברמת יעילות אנרגטית שנמצאת אי שם באמצע, ובה יש "בזבוז" משמעותי של אקסרגיה, קיימת נקודת היעילות שבה יש הספק מקסימלי.

מכונת אוטווד

דוגמה פשוטה לכך היא מכונת אוטווד (Atwood’s machine). ב"מכונה" זו קיים משקולת אחת שקשורה לחבל שעובר דרך גלגלת וקשור בקצהו השני למשקולת אחרת, שנמשכת על ידי המשקולת הראשונה.

• כאשר אין משקולת שקשורה לצד התחתון, המשקולת העליונה נופלת מהר מאוד אבל לא נעשתה שום עבודה בגלל ששום דבר לא הורם. אנו נמצאים במערכת שיש בה אפס יעילות אנרגטית ואפס הספק.
• כאשר קושרים משקולת במשקל זהה לזו של המשקולת הראשונה, המערכת נמצאת ביעילות מקסימלית, אבל קצב עשיית העבודה הוא אפס בגלל שהמשקולת התחתונה לא זזה בגלל איזון בין המשקולות.
• כאשר המשקולת הכבדה (המושכת) היא בעלת משקל של כפול מזה של המשקולת הנמשכת, המערכת ממקסמת את הקצב של עשיית עבודה, או את ההספק וזאת על חשבון היעילות האנרגטית.

השלכות

השלכות העיקרון הן שבמערכות מורכבות, כולל במערכות כלכליות ובמערכות אקולוגיות, מערכים או גופים שבהם מתקיים מיקסום של הספק (ולא של יעילות אנרגטית) יהנו מיתרון אבולוציוני.

פיזור אנטרופיה הוא דבר חיוני עבור השרידה של מערכות חיות, וקיים גבול ליעילות של פיזור זה במערכות דינמיות אדפטיביות. גבולות יעילות אלה הם ברמות נמוכות בהרבה מאשר הרמות התאורטיות האפשריות בקצב בר-הופכיות בזמן (כלומר איטי בצורה אינסופית).

לדוגמה, תחנות כוח עובדות בקרבה גדולה יותר להספק מקסימלי מאשר לזו של יעילות אנרגטית מקסימלית.

עידון של העיקרון הוא שיש טרייד אוף בין יעילות אנרגטית לבין מדדים אחרים של הגדלת ההספק.

הגדלת הפריון החקלאי של גידול חקלאי נתון ביחס לתא שטח, הוא מקרה פרטי של הגדלת ההספק - כמה שיותר גידול של ביומסה (בחלק המועיל או האיכל של הצמח) בזמן נתון. אפשר להגדיל את הפריון החקלאי על ידי הכנסת עוד תשומות, כגון דשנים שמצריכים השקעת אנרגיה ממקורות אחרים.

דוגמאות אחרות להגדלת הספק הם גידול של דלק ביולוגי במסגרת חקלאות תעשייתית מבוססת נפט וגז טבעי, קומפוסטר חשמלי (לעומת הכנת קומפוסט באמצעות קומפוסטר רגיל), עיבוד חקלאי, בישול מזון בתנור גז-בישול או חשמל (לעומת תנור שמש) בכל המקרים האלה מגדילים את ההספק על ידי השקעה של אנרגיה נוספת.

הצעות לעקרון ההספק המקסימלי כחוק הרביעי של התרמודינמיקה

אלפרד לוטקה 1922 א' עמוד 147.

	לודוויג בולצמן הצביע על כך שהאובייקט עליו רבים במאבק לחיים, באבולוציה של העולם האורגני, הוא אנרגיה זמינה. בתאום עם הבחנה זו הוא העיקרון לפיו, במאבק להישרדות, היתרון חייב ללכת לאורגניזמים שאמצעי לכידת האנרגיה שלו הינם היעילים ביותר להכוונת אנרגיה זמינה לערוצים שמעודדים את שימור המין.

קשר לחוק השני של התרמודינמיקה

ערך מורחב – החוק השני של התרמודינמיקה

קיי ושניידר טוענים במאמר משנת 1994 כי עקרון ההספק המקסימלי מוסבר על ידי ההגדרה המחודשת שלהם לחוק השני של התרמודינמיקה, שמספקת הגדרה גם למערכות תרמודינמיות רחוקות משיווי משקל, ולפיכך "החוק הרביעי" הוא פשוט נגזרת של החוק השני.

ראו גם

• יעילות

קישורים חיצוניים

• עקרון ההספק המקסימלי בוויקיפדיה האנגלית
• עקרון ההספק המקסימלי באנציקלופדיית כדור הארץ

מערכות מורכבות

מושגי יסוד: הוליזם - שיווי משקל - תהליך - אנטרופיה - אקסרגיה - החוק השני של התרמודינמיקה - מידע - ארגון עצמי - הגחה - לולאת משוב - תהליך בלתי הפיך - עמידות - חשל - גידול מעריכי - תגובת יתר

מערכות, מודלים וגישות: מערכת מורכבת - מערכת מפזרת - מודל מבוסס סוכנים - מערכת מורכבת אדפטיבית - חשיבה מערכתית - דינמיקה של מערכות - תורת המידע - כלכלה אבולוציונית - כלכלת מורכבות - שיטת המערכות הרכות

מערכות ואקולוגיה: תהליך ארוך טווח - מחזור ביוגאוכימי - חוק המינימום של ליביג - פרדוקס ג'בונס - עקרון ההספק המקסימלי - הולון - אנרגיה גלומה - שירותי המערכת האקולוגית - ייצור ראשוני - מטבוליזם

ספרים ומאמרים: ספינת החלל כדור הארץ - גבולות לצמיחה - מעבר לגבולות - חוק האנטרופיה והתהליך הכלכלי - תריסר נקודות מינוף להתערבות במערכת - דינמיקת מערכות פוגשת את העיתונות - עיצוב כלכלה הוליסטית לעולם בר קיימא

אישים, הוגים וארגונים: דונאלה מדווז - ניקולס ג'ורג'סקיו-רוגן - האווארד ת. אודום - דיוויד בוהם - איליה פריגוז'ין - מכון סנטה פה