principio de máxima potencia

El principio de máxima potencia o principio de Lotka ^{[ 1 ]} se ha propuesto como el cuarto principio de la energética en la termodinámica de sistemas abiertos , donde un ejemplo de sistema abierto es una célula biológica. Según Howard T. Odum , "El principio de máxima potencia se puede enunciar así: Durante la autoorganización, se desarrollan y prevalecen diseños de sistemas que maximizan la captación de energía, la transformación de energía y aquellos usos que refuerzan la producción y la eficiencia". ^{[ 2 ]}

Chen (2006) sitúa el origen del enunciado de máxima potencia como principio formal en una propuesta tentativa de Alfred J. Lotka (1922a, b). El enunciado de Lotka buscaba explicar la noción darwiniana de evolución haciendo referencia a un principio físico. El trabajo de Lotka fue posteriormente desarrollado por el ecólogo de sistemas Howard T. Odum en colaboración con el ingeniero químico Richard C. Pinkerton, y más tarde ampliado por el ingeniero Myron Tribus .

Si bien la obra de Lotka pudo haber sido un primer intento de formalizar el pensamiento evolucionista en términos matemáticos, siguió observaciones similares realizadas por Leibniz y Volterra , y Ludwig Boltzmann , por ejemplo, a lo largo de la a veces controvertida historia de la filosofía natural. En la literatura contemporánea, se la suele asociar con la obra de Howard T. Odum.

La importancia del enfoque de Odum cobró mayor relevancia durante la década de 1970, en medio de la crisis del petróleo , donde, como  observó Gilliland (1978, pág. 100), surgió la necesidad 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 al EROEI , surgió para satisfacer esta necesidad analítica. Sin embargo, en el análisis energético surgieron dificultades teóricas y prácticas insuperables al utilizar la unidad energética para comprender: a) la conversión entre tipos de combustible concentrados (o tipos de energía ), b) la contribución del trabajo y c) la contribución del medio ambiente.

Lotka dijo (1922b: 151):

El principio de la selección natural demuestra ser capaz de proporcionar información que las dos primeras leyes de la termodinámica no pueden ofrecer. Estas dos leyes fundamentales son, por supuesto, insuficientes para determinar el curso de los acontecimientos en un sistema físico. Nos indican que ciertas cosas no pueden ocurrir, pero no nos dicen qué ocurre.

Gilliland señaló que estas dificultades de análisis, a su vez, requerían una nueva teoría 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 formulación de Odum sobre el principio de máxima potencia (HTOdum 1978, pp.  54-87) era, quizás, una expresión adecuada de la teoría necesaria:

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. Esta cuestión presupone que las leyes físicas rigen el funcionamiento del sistema. No presupone, 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 e impulsado por leyes físicas.

Esta teoría fue denominada por Odum como teoría de la máxima potencia. Para formularla, Gilliland observó que Odum había añadido otra ley (el principio de máxima potencia) a las leyes de la termodinámica ya bien establecidas. 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 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 ocurren las transformaciones o procesos energéticos. El concepto de potencia máxima incorpora el tiempo en las mediciones 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 dicha transformación.

De esta forma, el concepto de potencia máxima se utilizaba como principio para describir cuantitativamente la ley selectiva de la evolución biológica . Quizás la declaración más concisa de HTOdum sobre esta visión fue (1970, p.  62):

Lotka propuso la teoría de la selección natural como un organizador de máxima potencia; en condiciones competitivas, se seleccionan los sistemas que utilizan su energía en diversas acciones de desarrollo estructural para maximizar el uso de la energía disponible. Según esta teoría, los sistemas de ciclos que consumen menos energía se ven perjudicados en su desarrollo comparativo. Sin embargo, Leopold y Langbein demostraron que los arroyos en perfiles de erosión en desarrollo, sistemas de meandros y redes tributarias dispersan su energía potencial más lentamente que si sus cauces fueran más directos. Estas dos afirmaciones podrían armonizarse mediante un principio de máxima potencia de eficiencia óptima (Odum y Pinkerton, 1955), que indica que la energía que se convierte demasiado rápido en calor no está disponible para el propio uso del sistema, ya que no se realimenta a través de los depósitos para bombear energía útil, sino que se dedica a la agitación aleatoria del entorno.

El enfoque de Odum y Pinkerton respecto a la propuesta de Lotka consistió en aplicar la ley de Ohm —y el teorema de máxima potencia asociado (un resultado en sistemas de energía eléctrica )— a los sistemas ecológicos. Odum y Pinkerton definieron la "potencia" en términos electrónicos como la tasa de trabajo , donde el trabajo se entiende como una " transformación útil de energía ". Por lo tanto, el concepto de máxima potencia puede definirse como la tasa máxima de transformación útil de energía . De ahí que la filosofía subyacente busque unificar las teorías y leyes asociadas de los sistemas electrónicos y termodinámicos con los sistemas biológicos. Este enfoque presuponía una visión analógica que concibe el mundo como un motor ecológico-electrónico-económico.

Boltzmann señaló que el objeto fundamental de la lucha por la supervivencia, en la evolución del mundo orgánico, es la energía disponible. De acuerdo con esta observación, en la lucha por la existencia, la ventaja debe recaer sobre aquellos organismos cuyos mecanismos de captación de energía sean más eficientes para dirigir la energía disponible hacia vías favorables a la preservación de la especie.

...a este autor le parece apropiado unir las tradiciones biológicas y físicas citando el principio darwiniano de selección natural como la cuarta ley de la termodinámica , ya que es el principio que rige la tasa de generación de calor y la eficiencia en los procesos biológicos irreversibles.

...quizás sea el momento de reconocer el principio de máxima potencia como la cuarta ley de la termodinámica, tal como lo sugirió Lotka.

El principio de máxima potencia puede enunciarse así: Durante la autoorganización, se desarrollan y prevalecen diseños de sistemas que maximizan la captación de energía, la transformación energética 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 la competencia. En otras palabras, en lugar de simplemente aceptar que se transforma más energía por unidad de tiempo en un proceso que opera a máxima potencia, este principio afirma que los sistemas se organizan y estructuran naturalmente para maximizar la potencia. Los sistemas se autorregulan según el principio de máxima potencia. Con el tiempo, los sistemas que maximizan la potencia son seleccionados, mientras que los que no lo hacen son descartados y finalmente eliminados. Odum argumenta que los mecanismos de libre mercado de la economía hacen lo mismo con los sistemas humanos y que nuestra evolución económica hasta la fecha es 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 electrónica. Por ejemplo, Odum lo observó 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 formulación del principio de máxima potencia de Odum se basa en la noción de "combinación", de modo que la energía de alta calidad maximiza la potencia al combinar y amplificar la energía (1994, pp.  262, 541): "en los diseños que perduran, es probable que se produzca una combinación de energía de alta calidad con mayores cantidades de energía de baja calidad" (1994, p.  260). Como en 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 del desarrollo y la sostenibilidad de los ecosistemas. Este principio predice la persistencia selectiva de diseños de ecosistemas que capturan una fuente de energía previamente no explotada» (2006, p.  317). En varios textos, HT Odum presentó la máquina de Atwood como un ejemplo práctico del «principio» de máxima potencia.

Si el principio de máxima eficiencia energética puede considerarse la cuarta ley de la termodinámica y el cuarto principio de la energética es discutible. Sin embargo, HT Odum también propuso un corolario de la máxima potencia como principio organizativo de la evolución, describiendo la evolución de los sistemas microbiológicos , económicos , planetarios y astrofísicos . Llamó a este corolario principio de máxima potencia . Esto se sugirió porque, como señalan SE Jorgensen, MT Brown y HT Odum (2004),

El concepto de máximo poder podría malinterpretarse como dar prioridad a los procesos de bajo nivel. Sin embargo, los procesos de transformación de nivel superior son tan importantes como los de bajo nivel. Por lo tanto, el principio de Lotka se aclara al enunciarlo como el principio de autoorganización para el máximo empoderamiento .

Es posible que C. Giannantoni haya generado confusión al escribir: «El "Principio de Máxima Potencia" (Lotka-Odum) se considera generalmente el "Cuarto Principio Termodinámico" (principalmente) debido a su validez práctica para una amplia gama de sistemas físicos y biológicos» (C. Giannantoni 2002, § 13, p.  155). Sin embargo, Giannantoni propuso el Principio de Máxima Potencia como el cuarto principio de la termodinámica (Giannantoni 2006).

La discusión anterior es incompleta. El concepto de "potencia máxima" se descubrió de forma independiente en varias ocasiones, tanto en física como en ingeniería; véanse: Novikov (1957), El-Wakil (1962) y Curzon y Ahlborn (1975). Gyftopoulos (2002) demostró la inexactitud de este análisis y de las conclusiones sobre la evolución del diseño.

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• economía ecológica

• TT Cai, CL Montague y JS Davis (2006) 'El principio de máxima potencia: una investigación empírica', Ecological Modelling , Volumen 190, Números 3–4, Páginas 317–335
• GQ Chen (2006) 'Escasez de exergía y evaluación ecológica basada en la exergía incorporada', Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation , Volumen 11, Número 4, julio, Páginas 531–552.
• R. Costanza, J. H. Cumberland, H. E. Daly, R. Goodland y R. B. Orgaard (1997) Introducción a la economía ecológica , CRC Press – St. Lucie Press, Primera edición.
• FLCurzon y B.Ahlborn (1975) 'Eficiencia de un motor de Carnot a máxima potencia', Am J Phys , 43, pp.  22–24.
• C.Giannantoni (2002) El principio de máxima potencia Em como base de la termodinámica de la calidad , Servizi Grafici Editoriali, Padua.
• C.Giannantoni (2006) Matemáticas para procesos generativos: sistemas vivos y no vivos, Journal of Computational and Applied Mathematics , Volumen 189, Número 1–2, Páginas 324–340.
• MWGilliland ed. (1978) Análisis energético: una nueva herramienta de política pública , AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
• CAShall (1995) Máxima potencia: ideas y aplicaciones de HTOdum , Colorado University Press.
• CAShall (2004) 'La importancia continua de la potencia máxima', Ecological Modelling , Volumen 178, Número 1–2, 15, Páginas 107–113
• HW Jackson (1959) Introducción a los circuitos electrónicos , Prentice–Hall.
• SEJorgensen, MTBrown, HTOdum (2004) 'Jerarquía energética y transformidad en el universo', Ecological Modelling , 178, pp.  17–28
• ALLehninger (1973) Bioenergética, WA Benjamin inc.
• AJLotka (1922a) ' Contribución a la energética de la evolución Archivado el 13-07-2019 en Wayback Machine ' [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8: pp.  147–51.
• AJLotka (1922b) ' La selección natural como principio físico ' Archivado el 13 de julio de 2019 en Wayback Machine '[PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8, pp 151–4.
• HTOdum (1963) 'Límites de los ecosistemas remotos que contienen al hombre', The American Biology Teacher , Volumen 25, No. 6, pp.  429–443.
• HTOdum (1970) Valores energéticos de las fuentes de agua. En 19ª Conferencia del Sur sobre Recursos Hídricos y Control de la Contaminación.
• HTOdum (1978) 'Calidad de la energía y el medio ambiente', en MWGilliland ed. (1978) Análisis energético: una nueva herramienta de política pública , AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
• HTOdum (1994) Sistemas ecológicos y generales: una introducción a la ecología de sistemas , Colorado University Press.
• HTOdum (1995) 'Autoorganización y máximo empoderamiento', en CASHall (ed.) Máximo poder: las ideas y aplicaciones de HTOdum , Colorado University Press, Colorado.
• HTOdum y RCPinkerton (1955) 'El regulador de velocidad del tiempo: la eficiencia óptima para la máxima producción en sistemas físicos y biológicos', Am. Sci. , 43 pp.  331–343.
• HTOdum y MTBrown (2007) Medio ambiente, energía y sociedad para el siglo XXI: la jerarquía de la energía , Columbia University Press.
• M.Tribus (1961) § 16.11 'Tratamiento generalizado de sistemas lineales utilizados para la producción de energía', Termostática y termodinámica , Van Nostrand, University Series in Basic Engineering, pág.  619.
• Novikov II, (1958). La eficiencia de las centrales nucleares. J. Nuclear Energy II , vol. 7, pp.  125–128; traducido de Atomnaya Energia , vol. 3, (1957), n.° 11, p.  409.
• El-Wakil, MM (1962) Ingeniería de energía nuclear , McGraw-Hill, Nueva York, págs.  162–165.
• Curzon FL, Ahlborn B., (1975) Eficiencia de un motor de Carnot a máxima potencia, American Journal of Physics , Vol. 43, pp.  22–24.
• Gyftopoulos EP, (2002). Sobre la eficiencia de Curzon-Ahlborn y su falta de conexión con los procesos de producción de energía, Energy Conversion and Management , Vol. 43, pp.  609–615.