अधिकतम शक्ति सिद्धांत

ऊर्जा प्रणाली भाषा में अधिकतम शक्ति सिद्धांत ओडुम और ओडम 2000, पी से अनुकूलित। 38

अधिकतम शक्ति सिद्धांत या लोटका का सिद्धांत ऊष्मप्रवैगिकी में खुले तंत्र के उष्मागतिकी के चौथे नियम के रूप में प्रस्तावित किया गया है, जहां जैविक कोशिका खुले तंत्र का एक उदाहरण है। हावर्ड टी. ओडम के अनुसार, "अधिकतम ऊर्जा का सिद्धांत स्वयं-संगठन के समय निरूपित किया जा सकता है: जिसमे प्रणाली प्रारूप विकसित होता है जो ऊर्जा अवगेसन, ऊर्जा परिवर्तन और उत्पादन और कुशलता को संवेदनशील बनाने वाले उपयोगों को बढ़ावा देते हैं। "

इतिहास

चेन (2006) ने अल्फ्रेड जे. लोटका (1922ए, बी) द्वारा एक अस्थायी प्रस्ताव में औपचारिक सिद्धांत के रूप में अधिकतम शक्ति के कथंन के उत्पत्ति की खोज की है। लोटका के कथंन ने एक भौतिक सिद्धांत के संदर्भ में विकास की डार्विनियन धारणा को समझाने का प्रयास किया। लोटका के कार्य को बाद में सिस्टम पारिस्थितिकी हॉवर्ड टी. ओडुम द्वारा रसायन अभियंता रिचर्ड सी. पिंकर्टन के सहयोग से विकसित किया गया था, और बाद में अभियंता मायरोन ट्रीबुस द्वारा उन्नत किया गया था।

चूंकि लोटका का काम गणितीय शब्दों में विकासवादी विचारों को औपचारिक रूप देने का प्रथम प्रयास हो सकता है, उदाहरण के लिए, प्राकृतिक दर्शन के कभी-कभी विवादास्पद इतिहास के समय, गॉटफ्रीड विल्हेम लीबनिज और वीटो वोल्टेरा और लुडविग बोल्ट्जमान द्वारा किए गए इसी तरह के अवलोकनों का पालन किया गया। समकालीन साहित्य में यह सामान्यतः हावर्ड टी. ओडुम के कार्य से जुड़ा हुआ है।

ओडम के दृष्टिकोण के महत्व को, 1970 के दशक में तेल संकट के समय में अधिक समर्थन दिया गया था। जैसा कि गिलिलैंड (1978, पृ॰ 100) ने अनुवेदित किया; ऊर्जा संसाधनों के महत्व और मूल्य का आर्थिक और पर्यावरणीय उत्पादन में विश्लेषण करने के लिए एक नई विधि की आवश्यकता उत्पन्न हुई थी। एक क्षेत्र जिसे ऊर्जा विश्लेषण के नाम से जाना जाता है, स्वयं ऊर्जा और इआरओइआइ से जुड़ा हुआ है, जो इस विश्लेषणिक आवश्यकता को पूरा करने के लिए उत्पन्न हुआ। यद्यपि, ऊर्जा विश्लेषण में, ऊर्जा इकाई का उपयोग करने से उत्पन्न असंभव सिद्धांतिक और व्यावहारिक कठिनाइयों जैस, a) एकाग्र ईंधन प्रकारों (या ऊर्जा प्रकारों) के बीच रूपांतरण, b) श्रम का योगदान, और c) पर्यावरण का योगदान समझने के लिए इनका विश्लेषणिक उपयोग किया गया।

दर्शन और सिद्धांत

लोटका ने कहा (1922बी: 151):

प्राकृतिक चयन का सिद्धांत प्रकृति के प्रथम और द्वितीय थर्मोडायनामिक कानून द्वारा प्रदान नहीं की जा सकने वाली जानकारी उत्पादित करने की क्षमता रखता है। ऊष्मप्रवैगिकी के दो मूलभूत नियम निश्चित रूप से भौतिक प्रणाली में घटनाओं के कालक्रम को निर्धारित करने के लिए अपर्याप्त हैं। वे हमें बताते हैं कि कुछ चीजें नहीं हो सकतीं, परंतु वे हमें नहीं बताते कि क्या होता है।

गिलिलैंड ने उल्लेख किया कि विश्लेषण में इन कठिनाइयों को पुनः समझाने के लिए कुछ नए सिद्धांत की आवश्यकता है जो इन विभिन्न ऊर्जाओं (ईंधन के विभिन्न अधिकतम घनत्व, श्रम और पर्यावरणीय बलों) के अन्तःक्रिया और लेनदेनों की पूर्णता से समझा सकती हो। गिलिलैंड (Gilliland 1978, p. 101) ने सुझाव दिया कि ओडम के अधिकतम ऊर्जा सिद्धांत (H.T.Odum 1978, pp. 54–87) संभवतः उन आवश्यक सिद्धांत की पूर्णता व्यक्त हो सकती है।

यह सिद्धांत, जैसा कि अधिकतम शक्ति सिद्धांत द्वारा व्यक्त किया गया है, अनुभवजन्य प्रश्न को संबोधित करता है कि क्यों किसी भी प्रकार या आकार की प्रणालियां स्वयं पूर्वानुमानित प्रारूप में व्यवस्थित करती हैं। ऐसा प्रश्न यह मानता है कि भौतिक नियम तंत्र फलन को नियंत्रित करते हैं। उदाहरण के लिए, यह नहीं माना जाता है कि आर्थिक उत्पादन वाली प्रणाली उपभोक्ताओं द्वारा संचालित होती है; बल्कि उत्पादन-उपभोग का पूरा चक्र भौतिक नियमों द्वारा संरचित और संचालित होता है।

इस सिद्धांत को ओडुम ने अधिकतम शक्ति का सिद्धांत कहा। अधिकतम शक्ति सिद्धांत तैयार करने के लिए गिलिलैंड ने देखा कि ओडुम ने ऊष्मप्रवैगिकी के पहले से ही स्थापित नियमों में एक और नियम (अधिकतम शक्ति सिद्धांत) जोड़ा था। 1978 में गिलिलैंड ने लिखा कि ओडुम का नया नियम अभी तक मान्य नहीं हुआ था। गिलिलैंड ने कहा कि अधिकतम शक्ति सिद्धांत में ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम की दक्षता के लिए एक अतिरिक्त भौतिक अवधारणा की आवश्यकता होती है: अधिकतम शक्ति के अंतर्गत दूसरे नियम की दक्षता की अवधारणा:

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले या दूसरे नियम में उस दर का माप सम्मिलित नहीं है जिस पर ऊर्जा परिवर्तन या प्रक्रियाएं होती हैं। अधिकतम शक्ति की अवधारणा ऊर्जा परिवर्तन के उपायों में समय को सम्मिलित करती है। यह उस दर के बारे में जानकारी प्रदान करता है जिस पर एक प्रकार की ऊर्जा दूसरे में परिवर्तित हों जाती है और साथ ही उस परिवर्तन की दक्षता भी होती है।

इस तरह अधिकतम शक्ति की अवधारणा का उपयोग, जैविक विकास के चयनात्मक नियम का मात्रात्मक वर्णन करने के लिए एक सिद्धांत के रूप में किया जा रहा था। संभवतः एच.टी.ओडुम का इस दृष्टिकोण को लेकर सबसे संक्षिप्त कथन था (1970, पृ. 62):

लोटका ने अधिकतम शक्ति आयोजक के रूप में प्राकृतिक चयन का सिद्धांत प्रदान किया; प्रतिस्पर्धात्मक परिस्थितियों में ऐसी प्रणालियों का चयन किया जाता है जो विभिन्न संरचनात्मक-विकासशील क्रियाओं में अपनी ऊर्जा का उपयोग करती हैं जिससे उपलब्ध ऊर्जाओं के उपयोग को अधिकतम किया जा सके। इस सिद्धांत के अनुसार चक्रों की प्रणालियाँ जो कम ऊर्जा का उपभोग करती हैं, तुलनात्मक विकास में खो जाती हैं। यद्यपि लियोपोल्ड और लैंगबेन ने प्रदर्शित किया है कि यदि उनके माध्यम अधिक प्रत्यक्ष होंगे तों कटाव क्षेत्र, विसर्प प्रणाली और सहायक नदी नेटवर्क विकसित करने में धाराएं अपनी संभावित ऊर्जा को अधिक धीरे-धीरे प्रसारित करती हैं। इन दो कथनों को एक इष्टतम दक्षता अधिकतम शक्ति सिद्धांत (ओडम और पिंकर्टन 1955) द्वारा सुसंगत किया जा सकता है, जो इंगित करता है कि ऊर्जा जो बहुत तेजी से ताप में परिवर्तित हो जाती है, उन्हें तंत्र के स्वयं के उपयोग के लिए उपलब्ध नहीं कराया जाता है क्योंकि वे भंडारण के माध्यम से उपयोग में वापस नहीं आते हैं।

ओडम-पिंकर्टन द्वारा लोट्का की प्रस्तावना पर आने वाला उपाय था कि पारम्परिक विद्युत शक्ति प्रणालियों में दिए जाने वाले ओह्म के नियम और संबंधित अधिकतम शक्ति के सिद्धांत को पारिस्थितिकी तंत्रों में लागू किया जाए।ओडम और पिंकर्टन ने "शक्ति" को विद्युतकीय शब्दों में काम की दर द्वारा परिभाषित किया, जहां कार्य को "ऊष्मप्रवैगिकी मुक्त ऊर्जा" के रूप में समझा जाता है।अधिकतम शक्ति की अवधारणा इसलिए उपयोगी ऊर्जा के परिवर्तन की अधिकतम दर के रूप में परिभाषित की जा सकती है।इसलिए मूल दर्शन का उद्देश्य विद्युतकीय और ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों और जीववैज्ञानिक प्रणालियों के संबंधित सिद्धांतों और नियमों को एकीकृत करना है।यह दृष्टिकोण एक ऐसी तुलनात्मक दृष्टि को स्वीकार करता है जो दुनिया को एक पारिस्थितिकी-विद्युतकीय-आर्थिक इंजन के रूप में देखती है।

चौथे ऊष्मप्रवैगिकी नियम के रूप में अधिकतम शक्ति सिद्धांत के प्रस्ताव

बोल्ट्जमैन द्वारा यह बताया गया है कि जैविक संसार के विकास में, जीवन-संघर्ष में विवाद का मूल उद्देश्य उपलब्ध ऊर्जा है। इस अवलोकन के अनुसार यह सिद्धांत है कि, अस्तित्व के संघर्ष में, लाभ उन जीवों को जाना चाहिए जिनके ऊर्जा-ग्रहण उपकरण प्रजातियों के संरक्षण के लिए अनुकूल माध्यमों में उपलब्ध ऊर्जा को निर्देशित करने में सबसे कुशल हैं।

— ए जे लोटका 1922a, p. 147

यह इस लेखक को प्राकृतिक चयन के डार्विनियन सिद्धांत को 'उष्मप्रवैगिकी के चौथे नियम' के रूप में उद्धरण देकर जैविक और भौतिक परंपराओं को एकजुट करने के लिए उपयुक्त लगता है, क्योंकि यह ताप उत्पादन और दक्षता की दर में नियंत्रण सिद्धांत है।

— H.T. Odum 1963, p. 437

लोटका द्वारा सुझाए गए चौथे ऊष्मप्रवैगिकी नियम के रूप में अधिकतम शक्ति सिद्धांत को पहचानने का समय हों सकता है।

— एच.टी.ओडुम 1994

शाब्दिक परिभाषा

अधिकतम शक्ति का सिद्धांत यह है: स्व-संगठन के समय, उन प्रणालियों का विकास और प्रबल होता है जो शक्ति ग्रहण, ऊर्जा परिवर्तन और उत्पादन और दक्षता को बढ़ावा देने वाले उपयोगों को अधिकतम करते हैं। (एचटी ओडुम 1995, पृष्ठ 311)

अधिकतम शक्ति सिद्धांत बताता है कि जो प्रणालियां अपनी ऊर्जा के प्रवाह को अधिकतम करती हैं वे प्रतिस्पर्धा में जीवित रहती हैं। दूसरे शब्दों में, केवल इस तथ्य को स्वीकार करने के अतिरक्त कि समय की प्रति इकाई अधिक ऊर्जा एक ऐसी प्रक्रिया में रूपांतरित होती है जो अधिकतम शक्ति पर संचालित होती है, यह सिद्धांत कहता है कि तंत्र शक्ति को अधिकतम करने के लिए स्वाभाविक रूप से स्वयं को व्यवस्थित और संरचित करते हैं। तंत्र अधिकतम शक्ति सिद्धांत के अनुसार स्वयं को नियंत्रित करते हैं। समय के साथ, जो प्रणालियाँ शक्ति को अधिकतम करती हैं, उनके लिए चुनी जाती हैं, जबकि जो नहीं होती हैं, उनके विरुद्ध चुनी जाती हैं और अंततः समाप्त हो जाती हैं। ओडुम का तर्क है कि अर्थव्यवस्था का मुक्त बाजार तंत्र प्रभावी रूप से मानव प्रणालियों के लिए एक ही कार्य करता है और आज तक का हमारा आर्थिक विकास उस चयन प्रक्रिया का एक उत्पाद है। (गिलिलैंड 1978, पीपी. 101-102)

ओडम एवं सह के दृष्टिकोण से अधिकतम शक्ति के सिद्धांत को केवल विद्युतकीय से नहीं, बल्कि ऊर्जा दक्षता के पारस्परिक चयन के सिद्धांत के रूप में भी देखा जाता है, जिसका विस्तृत उपयोग होता है। उदाहरण के लिए, ओडुम ने इसे सौर ऊर्जा पर कार्य करने वाली खुली प्रणालियों जैसे प्रकाशविभव और प्रकाश संश्लेषण में देखा (1963, पृष्ठ 438)। अधिकतम शक्ति प्रमेय की तरह, अधिकतम शक्ति सिद्धांत का ओडुम का कथन 'मिलान' की धारणा पर निर्भर करता है, जैसे कि उच्च-गुणवत्ता वाली ऊर्जा मिलान और ऊर्जा को बढ़ाकर शक्ति को अधिकतम करती है (1994, पीपी। 262, 541): जीवित प्रारूपों में एक मिलान बड़ी मात्रा में कम गुणवत्ता वाली ऊर्जा के साथ उच्च गुणवत्ता वाली ऊर्जा होने की संभावना होती है (1994, पृ. 260)। विद्युत परिपथ के साथ, ऊर्जा परिवर्तन की परिणामी दर एक मध्यवर्ती शक्ति दक्षता पर अधिकतम होगी। 2006 में, टी.टी. कै, सी.एल. मोंटेग और जे.एस. डेविस ने कहा कि, अधिकतम शक्ति सिद्धांत पारिस्थितिकी तंत्र के विकास और स्थिरता के प्रतिरूप और प्रक्रियाओं को समझने के लिए एक संभावित मार्गदर्शक है। सिद्धांत पारिस्थितिक तंत्र प्रारूपों के चयनात्मक दृढ़ता का अनुमान करता है जो पहले अप्रयुक्त ऊर्जा स्रोत पर अधिकार कर लेता है। (2006, पृष्ठ 317)। कई ग्रंथों में एच.टी. ओडुम ने एटवुड यंत्र को अधिकतम शक्ति के 'सिद्धांत' के व्यावहारिक उदाहरण के रूप में संदर्भित किया है।

गणितीय परिभाषा

एच.टी. ओडम द्वारा दी गई गणितीय परिभाषा अधिकतम शक्ति के सिद्धांत लेख में दी गई परिभाषा से औपचारिक रूप से समान है। (ओडम के पारस्परिक रूप से पारिस्थितिकी और विद्युतकीय के मध्य संबंध के बारे में एक संक्षिप्त स्पष्टीकरण के लिए, कृपया "ओह्म कानून का पारिस्थितिकी उपानुक्रम" देखें।)

समसामयिक विचार

यह विवादास्पद है कि क्या अधिकतम शक्ति दक्षता का सिद्धांत ऊष्मागतिकी के चौथे कानून और ऊर्जागतिकी के चौथे सिद्धांत के रूप में माना जा सकता है या नहीं। फिर भी, एच.टी. ओडुम ने विकास के संगठनात्मक सिद्धांत के रूप में अधिकतम शक्ति का एक परिणाम भी प्रस्तावित किया, जिसमें सूक्ष्मजीवविज्ञानी प्रणालियों, आर्थिक प्रणालियों, ग्रह प्रणालियों और खगोलीय प्रणालियों के विकास का वर्णन किया गया है। उन्होंने इस परिणाम को अधिकतम सशक्तिकरण सिद्धांत कहा। यह सुझाव इसलिए दिया गया था, क्योंकि जॉर्जेंसेन, ब्राउन और ओडम (2004) द्वारा उल्लेख किया गया है कि

निम्न स्तर की प्रक्रियाओं को प्राथमिकता देने के लिए अधिकतम शक्ति को गलत समझा जा सकता है। यद्यपि, उच्च स्तर की परिवर्तन प्रक्रियाएँ उतनी ही महत्वपूर्ण हैं जितनी निम्न स्तर की प्रक्रियाएँ। इसलिए लोटका के सिद्धांत को अधिकतम 'सशक्तिकरण' के लिए स्वयं संगठन का सिद्धांत बताकर स्पष्ट किया जाता है।

— p. 18

सी. जियानन्टोनी ने लिखा था कि "अधिकतम ऊर्जा सिद्धांत", विस्तृत भौतिक और जैविक प्रणाली के लिए अपनी व्यावहारिक वैधता के कारण सामान्यतः "चौथे ऊष्मागतिकी सिद्धांत" के रूप में माना जाता है। (सी. जियानन्टोनी 2002, अनुभाग 13, पृ. 155) इससे स्तिथियों को उलझा देने का अनुमान हो सकता है। फिर भी, जियाननटोनी ने ऊष्मप्रवैगिकी के चौथे सिद्धांत के रूप में अधिकतम एम-ऊर्जा सिद्धांत को प्रस्तावित किया है (जियाननटोनी 2006)।

भौतिक विज्ञान और अभियांत्रिकी में स्वतंत्र रूप से कई बार अधिकतम शक्ति की खोज की गई। नोविकोव (1957), एल-वकील (1962), और कर्जन और अहलबोर्न (1975) देखें। जिफ़्टोपौलोस (2002) द्वारा इस विश्लेषण और प्रारूप विकास निष्कर्षों की असंगतता का प्रदर्शन किया गया था।

यह भी देखें

• अधिकतम शक्ति प्रमेय
• अधिकतम एन्ट्रापी ऊष्मप्रवैगिकी
• एन्ट्रापी उत्पादन
• [[ऊर्जा दक्षता]]
• ऊर्जा रूपांतरण दक्षता
• ऊर्जा दर घनत्व
• ऊर्जा
• जेरेमी इंग्लैंड
• ऊष्मप्रवैगिकी मुक्त ऊर्जा
• आपात
• सिस्टम इकोलॉजी
• पारिस्थितिक अर्थशास्त्र

संदर्भ

• T.T. Cai, C.L. Montague and J.S. Davis (2006) 'The maximum power principle: An empirical investigation', Ecological Modelling, Volume 190, Issues 3–4, Pages 317–335
• G.Q. Chen (2006) 'Scarcity of exergy and ecological evaluation based on embodied exergy', Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Volume 11, Issue 4, July, Pages 531–552.
• R.Costanza, J.H.Cumberland, H.E.Daly, R.Goodland and R.B.Norgaard (1997) An Introduction to Ecological Economics, CRC Press – St. Lucie Press, First Edition.
• F.L.Curzon and B.Ahlborn (1975) 'Efficiency of a Carnot engine at maximum power output', Am J Phys, 43, pp. 22–24.
• C.Giannantoni (2002) The Maximum Em-Power Principle as the basis for Thermodynamics of Quality, Servizi Grafici Editoriali, Padova.
• C.Giannantoni (2006) Mathematics for generative processes: Living and non-living systems, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 189, Issue 1–2, Pages 324–340.
• M.W.Gilliland ed. (1978) Energy Analysis: A New Public Policy Tool, AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
• C.A.S.Hall (1995) Maximum Power: The ideas and applications of H.T.Odum, Colorado University Press.
• C.A.S.Hall (2004) 'The continuing importance of maximum power', Ecological Modelling, Volume 178, Issue 1–2, 15, Pages 107–113
• H.W. Jackson (1959) Introduction to Electronic Circuits, Prentice–Hall.
• S.E.Jorgensen, M.T.Brown, H.T.Odum (2004) 'Energy hierarchy and transformity in the universe', Ecological Modelling, 178, pp. 17–28
• A.L.Lehninger (1973) Bioenergetics, W.A. Benjamin inc.
• A.J.Lotka (1922a) 'Contribution to the energetics of evolution' [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8: pp. 147–51.
• A.J.Lotka (1922b) 'Natural selection as a physical principle' [PDF]. Proc Natl Acad Sci, 8, pp 151–4.
• H.T.Odum (1963) 'Limits of remote ecosystems containing man', The American Biology Teacher, Volume 25, No. 6, pp. 429–443.
• H.T.Odum (1970) Energy Values of Water Sources. in 19th Southern Water Resources and Pollution Control Conference.
• H.T.Odum (1978) 'Energy Quality and the Environment', in M.W.Gilliland ed. (1978) Energy Analysis: A New Public Policy Tool, AAA Selected Symposia Series, Westview Press, Boulder, Colorado.
• H.T.Odum (1994) Ecological and General Systems: An Introduction to Systems Ecology, Colorado University Press.
• H.T.Odum (1995) 'Self-Organization and Maximum Empower', in C.A.S.Hall (ed.) Maximum Power: The Ideas and Applications of H.T.Odum, Colorado University Press, Colorado.
• H.T.Odum and R.C.Pinkerton (1955) 'Time's speed regulator: The optimum efficiency for maximum output in physical and biological systems ', Am. Sci., 43 pp. 331–343.
• H.T.Odum and M.T.Brown (2007) Environment, Power and Society for the Twenty-First Century: The Hierarchy of Energy, Columbia University Press.
• M.Tribus (1961) § 16.11 'Generalized Treatment of Linear Systems Used for Power Production', Thermostatics and Thermodynamics, Van Nostrand, University Series in Basic Engineering, p. 619.
• Novikov I. I., (1958). The efficiency of atomic power stations. J. Nuclear Energy II, Vol. 7, pp. 125–128; translated from Atomnaya Energia, Vol. 3, (1957), No. 11, p. 409
• El-Wakil, M. M. (1962) Nuclear Power Engineering, McGraw-Hill, New York, pp. 162–165.
• Curzon F. L., Ahlborn B., (1975) Efficiency of a Carnot engine at maximum power, American Journal of Physics, Vol. 43, pp. 22–24.
• Gyftopoulos E. P., (2002). On the Curzon-Ahlborn efficiency and its lack of connection to power producing processes, Energy Conversion and Management, Vol. 43, pp. 609–615.