|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Открытые системы | Открытые системы (далее О) термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному типу О относятся системы, в которых непрерывно протекают реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физической и кинетики.
Наиболее простыми являются свойства О вблизи состояния термодинамического равновесия. Если отклонение О от термодинамического равновесия мало и ее состояние изменяется медленно, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О, как и систем в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О в неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии.
Отклонения термодинамических параметров от их равновесных значений (термодинамические силы) вызывают в системе потоки энергии и вещества (см. Переноса явления). Происходящие процессы переноса приводят к росту энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени называют производством энтропии.
Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному максимальному значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы, в О возможны стационарные состояния с постоянным производством энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей реакций и переноса реагирующих веществ и энергии. При таком "проточном равновесии" производство энтропии в О минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О такую же роль, какую играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О с. в этом состоянии удерживается постоянной, т.к. ее производство компенсируется отводом от системы, но это стационарное значение энтропии не соответствует ее максимуму, как в изолированной системе.
Наиболее интересные свойства О выявляются при нелинейных процессах. При таких процессах в О возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далеких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определенной пространственной или временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, т.к. ее существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О и возможность образований структур исследуются на основе уравнений кинетики химической; баланса скоростей реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакции. Накопление в О активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь: ускорение реакций под воздействием либо ее продукта ( автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому, как в колебательном контуре с положительной обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в О с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся реакции. Автокаталитические реакции могут привести к неустойчивости процессов в однородной среде и к появлению у О стационарных состояний с упорядоченным пространственным неоднородным распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью на макроскопическом уровне). Характер структур определяется конкретным типом реакций. В О возможны также концентрационные волны сложного нелинейного характера.
Теория О важна для понимания физико- процессов, лежащих в основе жизни, т.к. живой организм представляет собой устойчивую саморегулирующуюся О, обладающую высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопическом уровне. Подход к живым системам как к О, в которых протекают нелинейные реакции, открывает новые возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на ранних этапах возникновения жизни.
Теория О является частным случаем общей теории систем, к которым относятся, например, рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико- и биологических О Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования.
Лит.: Шредингер Э., Что такое жизнь? С точки зрения физика, пер. с англ., 2 изд., М., 1972; Гроот С., Мазур П., Неравновесная термодинамика, пер. с англ., М., 1964; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в кинетике, 2 изд., М., 1967; Гленсдорф П., Пригожин И., Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций, пер. с англ., М., 1973; Панченков Г. М., Лебедев В. П., кинетика и катализ, М., 1961; Пасынский А. Г., Биофизическая М., 1963; Волькенштейн М. В., Биология и физика, "Успехи физических наук", 1973, т. 109, в. 3; Пригожин И., Николис Ж., Биологический порядок, структура и неустойчивости, там же; Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. с англ., М., 1973.
Д. Н. Зубарев.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
