El principio de máxima potencia o principio de Lotka [1] 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 máxima potencia puede enunciarse así: durante la autoorganización, se desarrollan y prevalecen diseños de sistemas que maximizan el consumo de energía, la transformación de la energía y aquellos usos que refuerzan la producción y la eficiencia". [2]
Chen (2006) ha situado el origen de la afirmación de la máxima potencia como principio formal en una propuesta provisional de Alfred J. Lotka (1922a, b). La afirmación de Lotka pretendía 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 más tarde promovido por el ingeniero Myron Tribus .
Si bien el trabajo de Lotka puede haber sido un primer intento de formalizar el pensamiento evolutivo en términos matemáticos, siguió observaciones similares realizadas por Leibniz y Volterra y Ludwig Boltzmann , por ejemplo, a lo largo de la historia a veces controvertida de la filosofía natural. En la literatura contemporánea se asocia más comúnmente con el trabajo de Howard T. Odum.
La importancia del enfoque de Odum recibió un mayor apoyo durante la década de 1970, en medio de tiempos de crisis del petróleo , donde, como observó Gilliland (1978, pág. 100), surgió una necesidad emergente de un nuevo método para analizar la importancia y el valor de los recursos energéticos para la producción económica y ambiental. Un campo conocido como análisis energético , asociado a la energía neta y la EROEI , surgió para satisfacer esta necesidad analítica. Sin embargo, en el análisis energético surgieron dificultades teóricas y prácticas intratables al usar la unidad de energía para comprender a) la conversión entre tipos de combustible concentrados (o tipos de energía), b) la contribución de la mano de obra y c) 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 capaces de 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 observó que estas dificultades de análisis exigían a su vez una nueva teoría que explicara adecuadamente las interacciones y transacciones de estas diferentes energías (diferentes concentraciones de combustibles, trabajo y fuerzas ambientales). Gilliland (Gilliland 1978, pág. 101) sugirió que la afirmación de Odum sobre el principio de máxima potencia (HTOdum 1978, págs. 54-87) era, tal vez, una expresión adecuada de la teoría requerida:
Esa teoría, tal como se expresa en 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. Esa cuestión supone que el funcionamiento del sistema está regido por leyes físicas. No supone, por ejemplo, que el sistema que comprende la producción económica esté impulsado por los consumidores, sino que todo el ciclo de producción-consumo está estructurado y regido por leyes físicas.
A esta teoría Odum la llamó teoría de máxima potencia. Para formular la teoría de máxima potencia, Gilliland observó que Odum había añadido otra ley (el principio de máxima potencia) a las leyes ya bien establecidas 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 máxima potencia la eficiencia de la segunda ley de la termodinámica requería un concepto físico adicional: "el concepto de eficiencia de la segunda ley bajo máxima potencia" (Gilliland 1978, p. 101):
Ni la primera ni la segunda ley de la termodinámica incluyen una medida de la velocidad a la que se producen las transformaciones o procesos energéticos. El concepto de potencia máxima incorpora el tiempo a las medidas de las transformaciones energéticas. Proporciona información sobre la velocidad a la que un tipo de energía se transforma en otro, así como sobre la eficiencia de esa transformación.
De esta manera, el concepto de potencia máxima se utilizaba como principio para describir cuantitativamente la ley selectiva de la evolución biológica . Tal vez la declaración más concisa de HTOdum sobre esta perspectiva fue (1970, p. 62):
Lotka propuso la teoría de la selección natural como organizador de máxima potencia; en condiciones competitivas, se seleccionan sistemas que utilizan sus energías en diversas acciones de desarrollo estructural de modo de maximizar su 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 los ríos en perfiles de erosión en desarrollo, sistemas de meandros y redes tributarias dispersan sus energías potenciales más lentamente que si sus canales fueran más directos. Estas dos afirmaciones podrían armonizarse mediante un principio de máxima potencia de eficiencia óptima (Odum y Pinkerton 1955), que indica que las energías que se convierten demasiado rápidamente en calor no se ponen a disposición de los sistemas para su propio uso porque no se realimentan a través de depósitos para un bombeo útil, sino que, en cambio, provocan una agitación aleatoria del medio ambiente.
El enfoque de Odum-Pinkerton a la propuesta de Lotka fue aplicar la ley de Ohm –y el teorema de máxima potencia asociado (un resultado en los sistemas de energía eléctrica )– a los sistemas ecológicos. Odum y Pinkerton definieron la “potencia” en términos electrónicos como la tasa de trabajo , donde Trabajo se entiende como una “ transformación de energía útil ”. El concepto de máxima potencia puede, por tanto, definirse 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 al mundo como un motor ecológico-electrónico-económico.
Boltzmann ha señalado que el objeto fundamental de 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 recaer en aquellos organismos cuyos mecanismos de captación de energía sean más eficientes a la hora de dirigir la energía disponible hacia canales favorables a la conservación 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 se alineó esencialmente con el MPP. El MPP postula que los sistemas biológicos, como cualquier otro sistema complejo, tienden a evolucionar de maneras que maximizan su consumo de energía o flujo de energía. En este contexto, los organismos que capturan y utilizan eficazmente los recursos energéticos tienen más probabilidades de prosperar y propagarse, impulsando los 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 selección natural como la cuarta ley de la termodinámica , ya que es el principio que controla la tasa de generación de calor y los parámetros de eficiencia en los procesos biológicos irreversibles.
— 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 rigen la evolución biológica están íntimamente conectados 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, en consonancia con la PPM. 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 de la PPM.
...tal vez sea el momento de reconocer el principio de máxima potencia como la cuarta ley termodinámica tal como lo sugirió Lotka.
— HT Odum 1994
La defensa que hace Odum de la MPP como cuarta ley termodinámica representa la culminación de ideas anteriores sobre la relación entre la termodinámica y la biología. Al elevar la MPP a la categoría de ley termodinámica fundamental, Odum subraya su aplicabilidad universal en diversos sistemas complejos, incluidos los biológicos. Esta perspectiva enfatiza que los sistemas biológicos, impulsados por los imperativos de supervivencia y reproducción, tienden a evolucionar de maneras que maximizan su producción de energía, mejorando así su capacidad para explotar los recursos energéticos disponibles. Al reconocer la MPP como principio rector, Odum destaca su poder explicativo para comprender la dinámica de los ecosistemas, las interacciones poblacionales y las trayectorias evolutivas.
El principio de máxima potencia puede enunciarse así: durante la autoorganización, se desarrollan y prevalecen diseños de sistemas que maximizan el consumo de energía, la transformación de la misma y aquellos usos que refuerzan la producción y la eficiencia. (HT Odum 1995, p. 311)
... el principio de máxima potencia... 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 a sí mismos de acuerdo con el principio de máxima potencia. Con el tiempo, los sistemas que maximizan la potencia son seleccionados a favor, mientras que los que no lo hacen son seleccionados en contra y finalmente 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 un producto de ese proceso de selección. (Gilliland 1978, pp. 101-102)
Odum et al. consideraron el teorema de máxima potencia como un principio de selección de reciprocidad de eficiencia energética con una aplicación más amplia que la de la electrónica. Por ejemplo, Odum lo vio en sistemas abiertos que funcionan con energía solar, como la energía fotovoltaica y la fotosíntesis (1963, pág. 438). Al igual que el teorema de máxima potencia, la formulación de Odum del principio de máxima potencia se basa en la noción de "adaptación", de modo que la energía de alta calidad maximiza la potencia al equiparar y amplificar la energía (1994, págs. 262, 541): "en los diseños supervivientes es probable que se produzca una equiparación 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, TT Cai, CL Montague y JS Davis afirmaron que "el principio de máxima potencia 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 desaprovechada" (2006, pág. 317). En varios textos, HT Odum presentó la máquina de Atwood como un ejemplo práctico del "principio" de máxima potencia.
La definición matemática dada por HT Odum es formalmente análoga a la definición proporcionada en el artículo sobre el teorema de máxima potencia . (Para una breve explicación del enfoque de Odum sobre la relación entre ecología y electrónica, consulte Análogo ecológico de la ley de Ohm )
No está claro si el principio de máxima eficiencia energética puede considerarse la cuarta ley de la termodinámica y el cuarto principio de la energética. Sin embargo, HT Odum también propuso un corolario de máxima potencia como principio organizativo de la evolución, describiendo la evolución de los sistemas microbiológicos , económicos , planetarios y astrofísicos . Llamó a este corolario el principio de máxima potencia . Esto se sugirió porque, como señalan SE Jorgensen, MT Brown y HT Odum (2004),
Se podría malinterpretar el concepto de potencia máxima como el de dar prioridad a los procesos de bajo nivel. ... Sin embargo, los procesos de transformación de nivel superior son tan importantes como los de nivel bajo. ... Por lo tanto, el principio de Lotka se aclara al afirmarlo como el principio de autoorganización para obtener la máxima potencia .
— pág. 18
C. Giannantoni puede haber confundido las cosas cuando escribió: “El “Principio de Máxima Potencia Em” (Lotka-Odum) es generalmente considerado el “Cuarto Principio Termodinámico” (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 de Máxima Potencia Em como el cuarto principio de la termodinámica (Giannantoni 2006).
El análisis anterior es incompleto. La "potencia máxima" se descubrió varias veces de forma independiente, en física e ingeniería; véase: Novikov (1957), El-Wakil (1962) y Curzon y Ahlborn (1975). Gyftopoulos (2002) demostró la inexactitud de este análisis y de las conclusiones de la evolución del diseño.