अधिकतम शक्ति सिद्धांत

अधिकतम शक्ति सिद्धांत या लोटका का सिद्धांत ओपन सिस्टम (सिस्टम सिद्धांत) ऊष्मप्रवैगिकी  में उष्मागतिकी के चौथे नियम के रूप में प्रस्तावित किया गया है, जहां एक खुली प्रणाली का एक उदाहरण एक जैविक कोशिका है। हावर्ड टी. ओडुम के अनुसार, अधिकतम शक्ति सिद्धांत कहा जा सकता है: स्व-संगठन के दौरान, सिस्टम डिज़ाइन विकसित और प्रबल होते हैं जो बिजली की खपत, ऊर्जा परिवर्तन को अधिकतम करते हैं, और वे उपयोग जो उत्पादन और दक्षता को सुदृढ़ करते हैं।

इतिहास
चेन (2006) ने अल्फ्रेड जे. लोटका (1922ए, बी) द्वारा एक अस्थायी प्रस्ताव में एक औपचारिक सिद्धांत के रूप में अधिकतम शक्ति के बयान की उत्पत्ति की खोज की है। लोटका के बयान ने एक भौतिक सिद्धांत के संदर्भ में विकास की डार्विनियन धारणा को समझाने की कोशिश की। लोटका के काम को बाद में सिस्टम पारिस्थितिकी  हॉवर्ड टी. ओडुम द्वारा केमिकल इंजीनियर रिचर्ड सी. पिंकर्टन के सहयोग से विकसित किया गया था, और बाद में इंजीनियर मायरोन जनजाति द्वारा उन्नत किया गया था।

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

1970 के दशक के दौरान, 1973 के तेल संकट के बीच, ओडुम के दृष्टिकोण के महत्व को अधिक समर्थन दिया गया था, जहां गिलिलैंड (1978, पीपी.100) ने देखा, ऊर्जा के महत्व और मूल्य का विश्लेषण करने की एक नई पद्धति की आवश्यकता उभर रही थी। आर्थिक और पर्यावरणीय उत्पादन के लिए संसाधन। इस विश्लेषणात्मक आवश्यकता को पूरा करने के लिए ऊर्जा विश्लेषण के रूप में जाना जाने वाला एक क्षेत्र, जो स्वयं शुद्ध ऊर्जा और EROEI से जुड़ा हुआ है। हालाँकि, ऊर्जा विश्लेषण में असाध्य सैद्धांतिक और व्यावहारिक कठिनाइयाँ उत्पन्न हुईं, जब समझने के लिए ऊर्जा इकाई का उपयोग किया गया, a) केंद्रित ईंधन प्रकारों (या ऊर्जा प्रकारों) के बीच रूपांतरण, b) श्रम का योगदान, और c) पर्यावरण का योगदान।

दर्शन और सिद्धांत
लोटका ने कहा (1922बी: 151): The principle of natural selection reveals itself as capable of yielding information which the first and second laws of thermodynamics are not competent to furnish. The two fundamental laws of thermodynamics are, of course, insufficient to determine the course of events in a physical system. They tell us that certain things cannot happen, but they do not tell us what does happen.

गिलिलैंड ने उल्लेख किया कि विश्लेषण में इन कठिनाइयों के बदले में इन विभिन्न ऊर्जाओं (ईंधन, श्रम और पर्यावरणीय बलों की विभिन्न सांद्रता) की बातचीत और लेनदेन को पर्याप्त रूप से समझाने के लिए कुछ नए सिद्धांत की आवश्यकता थी। Gilliland (Gilliland 1978, p. 101) ने सुझाव दिया कि Odum का अधिकतम शक्ति सिद्धांत का कथन (H.T.Odum 1978, pp. 54-87), शायद अपेक्षित सिद्धांत की एक पर्याप्त अभिव्यक्ति थी: That theory, as it is expressed by the maximum power principle, addresses the empirical question of why systems of any type or size organize themselves into the patterns observed. Such a question assumes that physical laws govern system function. It does not assume, for example, that the system comprising economic production is driven by consumers; rather that the whole cycle of production-consumption is structured and driven by physical laws.

इस सिद्धांत को ओडुम ने अधिकतम शक्ति सिद्धांत कहा। अधिकतम शक्ति सिद्धांत तैयार करने के लिए गिलिलैंड ने देखा कि ओडुम ने ऊष्मप्रवैगिकी के पहले से ही स्थापित कानूनों में एक और कानून (अधिकतम शक्ति सिद्धांत) जोड़ा था। 1978 में गिलिलैंड ने लिखा कि ओडुम का नया कानून अभी तक मान्य नहीं हुआ था (गिलिलैंड 1978, पृष्ठ 101)। गिलिलैंड ने कहा कि अधिकतम शक्ति सिद्धांत में ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे कानून की दक्षता के लिए एक अतिरिक्त भौतिक अवधारणा की आवश्यकता होती है: अधिकतम शक्ति के तहत दूसरे कानून की दक्षता की अवधारणा (गिलिलैंड 1978, पृष्ठ 101):

Neither the first or second law of thermodynamics include a measure of the rate at which energy transformations or processes occur. The concept of maximum power incorporates time into measures of energy transformations. It provides information about the rate at which one kind of energy is transformed into another as well as the efficiency of that transformation. इस तरह अधिकतम शक्ति की अवधारणा को जैविक विकास के चयनात्मक कानून का मात्रात्मक वर्णन करने के लिए एक सिद्धांत के रूप में इस्तेमाल किया जा रहा था। शायद H.T.Odum का इस दृष्टिकोण का सबसे संक्षिप्त कथन था (1970, पृ. 62):

Lotka provided the theory of natural selection as a maximum power organizer; under competitive conditions systems are selected which use their energies in various structural-developing actions so as to maximize their use of available energies. By this theory systems of cycles which drain less energy lose out in comparative development. However Leopold and Langbein have shown that streams in developing erosion profiles, meander systems, and tributary networks disperse their potential energies more slowly than if their channels were more direct. These two statements might be harmonized by an optimum efficiency maximum power principle (Odum and Pinkerton 1955), which indicates that energies which are converted too rapidly into heat are not made available to the systems own use because they are not fed back through storages into useful pumping, but instead do random stirring of the environment.

लोटका के प्रस्ताव के लिए ओडुम-पिंकर्टन दृष्टिकोण ओम के कानून को लागू करना था - और संबंधित अधिकतम शक्ति प्रमेय (विद्युत शक्ति प्रणालियों में परिणाम) - पारिस्थितिक प्रणालियों के लिए। ओडम और पिंकर्टन ने इलेक्ट्रॉनिक शब्दों में शक्ति को कार्य की दर (थर्मोडायनामिक्स) के रूप में परिभाषित किया, जहां कार्य को थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा परिवर्तन के रूप में समझा जाता है। इसलिए अधिकतम शक्ति की अवधारणा को 'उपयोगी ऊर्जा परिवर्तन की अधिकतम दर' के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। इसलिए अंतर्निहित दर्शन का उद्देश्य जैविक प्रणालियों के साथ इलेक्ट्रॉनिक और थर्मोडायनामिक प्रणालियों के सिद्धांतों और संबंधित कानूनों को एकजुट करना है। इस दृष्टिकोण ने एक अनुरूप मॉडल की कल्पना की जो दुनिया को एक पारिस्थितिक-इलेक्ट्रॉनिक-आर्थिक इंजन के रूप में देखता है।

चौथे थर्मोडायनामिक कानून
के रूप में अधिकतम शक्ति सिद्धांत के प्रस्ताव

शब्दों में परिभाषा
The maximum power principle can be stated: During self-organization, system designs develop and prevail that maximize power intake, energy transformation, and those uses that reinforce production and efficiency. (H.T. Odum 1995, p. 311)

...the maximum power principle ... states that systems which maximize their flow of energy survive in competition. In other words, rather than merely accepting the fact that more energy per unit of time is transformed in a process which operates at maximum power, this principle says that systems organize and structure themselves naturally to maximize power. Systems regulate themselves according to the maximum power principle. Over time, the systems which maximize power are selected for whereas those that do not are selected against and eventually eliminated. ... Odum argues ... that the free market mechanisms of the economy effectively do the same thing for human systems and that our economic evolution to date is a product of that selection process. (Gilliland 1978, pp. 101–102)

ओडुम एट अल। अधिकतम शक्ति प्रमेय को केवल इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में व्यापक अनुप्रयोग के साथ शक्ति-दक्षता पारस्परिकता चयन के सिद्धांत के रूप में देखा। उदाहरण के लिए, ओडुम ने इसे सौर ऊर्जा पर काम करने वाली खुली प्रणालियों में देखा, जैसे फोटोवोल्टिक और प्रकाश संश्लेषण (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 डिजाइनों में एक मिलान बड़ी मात्रा में कम गुणवत्ता वाली ऊर्जा के साथ उच्च गुणवत्ता वाली ऊर्जा होने की संभावना होती है (1994, पृ. 260)। इलेक्ट्रॉनिक सर्किट 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 पैटर्न और प्रक्रियाओं को समझने के लिए एक संभावित मार्गदर्शक है। सिद्धांत पारिस्थितिक तंत्र डिजाइनों के चयनात्मक दृढ़ता की भविष्यवाणी करता है जो पहले अप्रयुक्त ऊर्जा स्रोत पर कब्जा कर लेता है। (2006, पृष्ठ 317)। कई ग्रंथों में एच.टी. ओडुम ने एटवुड मशीन को अधिकतम शक्ति के 'सिद्धांत' के व्यावहारिक उदाहरण के रूप में दिया।

गणितीय परिभाषा
गणितीय परिभाषा एच.टी. ओडम औपचारिक रूप से अधिकतम शक्ति प्रमेय लेख पर दी गई परिभाषा के अनुरूप है। (पारिस्थितिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स के बीच संबंधों के बारे में ओडुम के दृष्टिकोण की संक्षिप्त व्याख्या के लिए Howard T. Odum#Ecological Analog of Ohm.27s Law|Ecological Analog of Ohm's Law देखें)

समसामयिक विचार
अधिकतम शक्ति दक्षता के सिद्धांत को ऊष्मप्रवैगिकी का चौथा नियम माना जा सकता है या नहीं और ऊर्जावान का चौथा सिद्धांत विवादास्पद है। 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 #सशक्तिकरण और अधिकतम सशक्तिकरण सिद्धांत कहा। यह सुझाव दिया गया था क्योंकि, जैसा कि एस.ई. जोर्गेनसन, एम.टी. ब्राउन, एच.टी. ओडुम (2004) नोट,

सी. गियानानटोनी ने मामले को भ्रमित किया हो सकता है जब उन्होंने अधिकतम एम-पावर सिद्धांत (लोटका-ओडुम) को आम तौर पर चौथा थर्मोडायनामिक सिद्धांत माना जाता है (मुख्य रूप से) भौतिक और जैविक प्रणालियों के एक बहुत व्यापक वर्ग के लिए इसकी व्यावहारिक वैधता के कारण (सी. गियानंटोनी) 2002, § 13, पृष्ठ 155)। फिर भी, जियाननटोनी ने ऊष्मप्रवैगिकी के चौथे सिद्धांत के रूप में अधिकतम एम-पावर सिद्धांत को प्रस्तावित किया है (जियाननटोनी 2006)।

पिछली चर्चा अधूरी है। भौतिक विज्ञान और इंजीनियरिंग में स्वतंत्र रूप से कई बार अधिकतम शक्ति की खोज की गई, देखें: नोविकोव (1957), एल-वकील (1962), और कर्जन और अहलबोर्न (1975)। Gyftopoulos (2002) द्वारा इस विश्लेषण और डिजाइन विकास निष्कर्षों की गलतता 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
 * थर्मोडायनामिक 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.