El principio de máxima potencia o principio de Lotka [1] ha sido propuesto como cuarto principio de la energética en la termodinámica de sistemas abiertos . Según el ecologista estadounidense Howard T. Odum , "El principio de máxima potencia 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". [2]
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 ecólogo 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 , donde, como observó Gilliland (1978, pág. 100), surgía la necesidad de un nuevo método para analizar la importancia y el valor de los recursos energéticos. a 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.
Lotka dijo (1922b: 151):
El principio de selección natural se revela capaz de proporcionar información que la primera y la segunda ley 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 qué 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 (HTOdum 1978, pp. 54-87) era, quizás, una expresión adecuada de la teoría requerida:
Esa teoría, tal como la expresa el principio de máxima potencia, aborda la cuestión empírica de por qué los sistemas de cualquier tipo o tamaño se organizan según los patrones observados. Esta pregunta supone que las leyes físicas gobiernan el funcionamiento del sistema. No supone, por ejemplo, que el sistema que comprende la producción económica esté impulsado por los consumidores; más bien, todo el ciclo de producción-consumo está estructurado e impulsado por leyes físicas.
Odum llamó a esta teoría 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, p. 101):
Ni la primera ni la segunda ley de la termodinámica incluyen una medida de la velocidad a la que ocurren las transformaciones o procesos de energía. El concepto de potencia máxima incorpora el tiempo en medidas de transformaciones energéticas. Proporciona información sobre la velocidad a la que un tipo de energía se transforma en otro, 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 HTOdum sobre este punto de vista fue (1970, p. 62):
Lotka proporcionó la teoría de la selección natural como organizador de máximo poder; en condiciones competitivas se seleccionan sistemas que utilizan sus energías en diversas acciones de desarrollo estructural para maximizar el uso de las energías disponibles. Según esta teoría, los sistemas de ciclos que consumen menos energía pierden en el desarrollo comparativo. Sin embargo, Leopold y Langbein han demostrado que las corrientes en el desarrollo de perfiles de erosión, sistemas de meandros y redes de afluentes dispersan sus energías potenciales más lentamente que si sus canales fueran más directos. Estas dos afirmaciones podrían armonizarse mediante un principio de potencia máxima de eficiencia óptima (Odum y Pinkerton 1955), que indica que las energías que se convierten demasiado rápidamente en calor no están disponibles para el uso propio del sistema porque no se retroalimentan a través de almacenamientos en fuentes útiles. bombear, sino que en su lugar agita aleatoriamente el entorno.
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 "potencia" en términos electrónicos como la 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.
Boltzmann ha señalado que el objeto fundamental de discordia en la lucha por la vida, en la evolución del mundo orgánico, es la energía disponible. De acuerdo con esta observación está el principio de que, en la lucha por la existencia, la ventaja debe ser para aquellos organismos cuyos dispositivos de captura de energía sean más eficientes para dirigir la energía disponible hacia canales favorables a la preservación de la especie.
— AJ 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.
...a este autor le parece apropiado unir las tradiciones biológica y física citando el principio darwiniano de la selección natural como la cuarta ley de la termodinámica , ya que es el principio que controla la tasa de generación de calor y los ajustes de eficiencia en procesos biológicos irreversibles. procesos.
— HT 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, en particular 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 que haya llegado el momento de reconocer el principio de potencia máxima como la cuarta ley termodinámica como lo sugirió Lotka.
-HT Odum 1994
La defensa de Odum de reconocer el MPP como la cuarta ley termodinámica representa la culminación de conocimientos anteriores sobre la relación entre termodinámica y 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.
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. (HT Odum 1995, p. 311)
...el principio de potencia máxima... establece que los sistemas que maximizan su flujo de energía sobreviven en competencia. En otras palabras, en lugar de simplemente aceptar el hecho de que se transforma más energía por unidad de tiempo en un proceso que opera a máxima potencia, este principio dice que los sistemas se organizan y estructuran naturalmente para maximizar la potencia. Los sistemas se regulan solos según el principio de máxima potencia. Con el tiempo, los sistemas que maximizan la potencia son seleccionados, mientras que aquellos que no lo hacen son seleccionados en contra y eventualmente eliminados. ... Odum sostiene ... 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 producto de ese proceso de selección. (Gilliland 1978, págs. 101-102)
Odum et al. Consideró 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 la máxima potencia, la declaración de Odum sobre el principio de la 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, pp. 262, 541): "en los diseños supervivientes un "Es probable que se produzca una combinación de energía de alta calidad con mayores cantidades de energía de baja calidad" (1994, p. 260). Al igual que con los circuitos electrónicos, la tasa resultante de transformación de energía será máxima con una eficiencia energética intermedia. En 2006, TT Cai, CL Montague y JS Davis dijeron 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 los diseños de ecosistemas que capturan una energía previamente no aprovechada". fuente." (2006, pág. 317). En varios textos, HT Odum presentó la máquina de Atwood como ejemplo práctico del "principio" de potencia máxima.
La definición matemática dada por HT Odum es formalmente análoga a la definición proporcionada en el artículo sobre el 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 )
Es discutible si el principio de máxima eficiencia energética puede considerarse o no la cuarta ley de la termodinámica y el cuarto principio de la energética. Sin embargo, HT 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 máximo poder . Esto se sugirió porque, como señalan SE Jorgensen, MT Brown, HT Odum (2004),
Se podría malinterpretar que la potencia máxima significa dar prioridad a los procesos de bajo nivel. ... Sin embargo, los procesos de transformación de nivel superior son tan importantes como los procesos de nivel inferior. ... Por lo tanto, el principio de Lotka se aclara enunciandolo como el principio de autoorganización para el máximo poder .
- pag. 18
C. Giannantoni puede haber confundido las cosas cuando escribió "El "Principio de Máxima Potencia Em" (Lotka-Odum) generalmente se considera el "Cuarto Principio Termodinámico" (principalmente) debido a su validez práctica para una clase muy amplia de condiciones físicas y biológicas. sistemas" (C. Giannantoni 2002, § 13, p. 155). Sin embargo, Giannantoni ha propuesto el principio de máxima potencia Em como el cuarto principio de la termodinámica (Giannantoni 2006).
La discusión anterior está incompleta. La "potencia máxima" fue descubierta varias veces de forma independiente, en física e ingeniería, véanse: 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.