 |
Общая характеристика открытых систем.
|
|
|
|
Открытые системы - это термодинамические системы, которые обмениваются с окружающими телами (средой), веществом, энергией и импульсом. Если отклонение открытой системы от состояния равновесия невелико, то неравновесное состояние можно описать теми же параметрами (температура, химический потенциал и другие), что и равновесное. Однако отклонение параметров от равновесных значений вызывают потоки вещества и энергии в системе. Такие процессы переноса приводят к производству энтропии. Примерами открытых систем являются: биологические системы, включая клетку, системы обработки информации в кибернетике, системы энергоснабжения и другие. Для поддержания жизни в системах от клетки до человека необходим постоянный обмен энергией и веществом с окружающей средой. Следовательно живые организмы являются системами открытыми, аналогично и с другими приведенными параметрами. Пригожиным в 1945 году был сформулирован расширенный вариант термодинамики.
В открытой системе изменение энтропии можно разбить на сумму двух вкладов:
d S = d Se + d Si (2.1)
Здесь d Se - поток энтропии, обусловленный обменом энергией и веществом с окружающей средой, d Si - производство энтропии внутри системы (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схематическое представление открытых
систем: производство и поток энтропии.
Х - набор характеристик:
С - состав системы и внешней среды;
Р - давление; Т - температура.
Итак, открытая система отличается от изолированной наличием члена в выражении для изменения энтропии, соответствующего обмену. При этом знак члена d Se может быть любым в отличии от d Si.
Для неравновесного состояния:
|
|
|
S < Smax
Неравновесное состояние более высокоорганизованно, чем равновесное, для которого
S = Smax
Таким образом эволюцию к более высокому порядку можно представить как процесс, в котором система достигает состояния с более низкой энтропией по сравнению с начальной.
Фундаментальная теорема о производстве энтропии в открытой системе с независимыми от времени краевыми условиями была сформулирована Пригожиным: в линейной области система эволюционирует к стационарному состоянию, характеризуемому минимальным производством энтропии, совместимым с наложенными граничными условиями.
Итак состояние всякой линейной открытой системы с независящими от времени краевыми условиями всегда изменяется в направлении уменьшения производства энтропии P = d S / d t пока не будет достигнуто состояние текущего равновесия, при котором производство энтропии минимально:
d P < 0 (условие эволюции)
P = min, d P = 0 (условие текущего равновесия)
d P/ d t < 0 (2.2)
ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ.
Каждая система состоит из элементов (подсистем). Эти элементы находятся в определенном порядке и связаны определенными отношениями. Структуру системы можно назвать организацию элементов и характер связи между ними.
В реальных физических системах имеются пространственные и временные структуры.
Формирование структуры - это возникновение новых свойств и отношений в множестве элементов системы. В процессах формирования структур играют важную роль понятия и принципы:
Постоянный отрицательный поток энтропии.
Состояние системы в дали от равновесия.
Нелинейность уравнений описывающих процессы.
Коллективное (кооперативное) поведение подсистем.
Универсальный критерий эволюции Пригожина - Гленсдорфа.
Формирование структур при необратимых процессах должно сопровождаться качественным скачком (фазовым переходом) при достижении в системе критических значений параметров. В открытых системах внешний вклад в энтропию (2.1) d S в принципе можно выбрать произвольно, изменяя соответствующим образом параметры системы и свойства окружающей среды. В частности энтропия может уменьшаться за счет отдачи энтропии во внешнюю среду, т.е. когда d S < 0. Это может происходить, если изъятие из системы в единицу времени превышает производство энтропии внутри системы, то есть
|
|
|
d S dSe dSi
¾ < 0, если ¾ > ¾ > 0 (2.3)
d t dt dt
Чтобы начать формирование структуры, отдача энтропии должна превысить некоторое критическое значение. В сильно неравновесном расстоянии переменные системы удовлетворяют нелинейным уравнениям.
Таким образом, можно выделить два основных класса необратимых процессов:
Уничтожение структуры вблизи положения равновесия. Это универсальное свойство систем при произвольных условиях.
Рождение структуры вдали от равновесия в открытой системе при особых критических внешних условиях и при нелинейной внутренней динамики. Это свойство не универсально.
Пространственные, временные или пространственно-временные структуры, которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области при критических значениях параметров системы называются диссипативными структурами.
В этих структурах взаимосвязаны три аспекта:
Функция состояния, выражаемая уравнениями.
Пространственно - временная структура, возникающая из-за неустойчивости.
Флуктуации, ответственные за неустойчивости.
Рис. 1. Три аспекта диссипативных структур.
Взаимодействия между этими аспектами приводит к неожиданным явлениям - к возникновению порядка через флуктуации, формированию высокоорганизованной структуры из хаоса.
Таким образом, в диссипативных структурах происходит становление из бытия, формируется возникающее из существующего.
|
|
|
