Відкриті системи
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Відкриті системи

Відкриті системи, термодинамічні системи, які обмінюються з довкіллям речовиною (а також енергією і імпульсом). До найбільш важливого типа О. с. відносяться хімічні системи, в яких безперервно протікають хімічні реакції, відбувається вступ реагуючих речовин ззовні, а продукти реакцій відводяться. Біологічні системи, живі організми можна також розглядати як відкриті хімічні системи. Такий підхід до живих організмів дозволяє досліджувати процеси їх розвитку і життєдіяльності на основі законів термодинаміки нерівноважних процесів, фізичної і хімічної кінетики.

загрузка...

  Найбільш простими є властивості О. с. поблизу стану термодинамічної рівноваги. Якщо відхилення О. с. від термодинамічна рівноваги мало і її стан змінюється повільно, то нерівноважний стан можна охарактеризувати тими ж параметрами, що і рівноважне: температурою, хімічними потенціалами компонентів системи і ін. (але не з постійними для всієї системи значеннями, а із залежними від координат і часу). Міра невпорядкованості таких О. с., як і систем в рівноважному стані, характеризується ентропією . Ентропія О. с. в нерівноважному (локально-рівноважному) стані визначається, через аддитивність ентропії, як сума значень ентропії окремих малих елементів системи, що знаходяться в локальній рівновазі.

  Відхилення термодинамічних параметрів від їх рівноважних значень (термодинамічні сили) викликають в системі потоки енергії і речовини (див. Перенесення явища ). Що відбуваються процеси перенесення приводять до зростання ентропії системи. Приріст ентропії системи в одиницю часу називають виробництвом ентропії .

  Згідно другому початку термодинаміки, в замкнутій ізольованій системі ентропія, зростаючи, прагне до свого рівноважного максимального значення, а виробництво ентропії — до нуля. На відміну від замкнутої системи, в О. с. можливі стаціонарні стани з постійним виробництвом ентропії, яка повинна при цьому відводитися від системи. Такий стаціонарний стан характеризується постійністю швидкостей хімічних реакцій і перенесення реагуючих речовин і енергії. При такій «проточній рівновазі» виробництво ентропії в О. с. мінімально ( Прігожіна теорема ). Стаціонарний нерівноважний стан грає в термодинаміці О. с. таку ж роль, яку грає термодинамічна рівновага для ізольованих систем в термодинаміці рівноважних процесів. Ентропія О с. у цьому стані стримується постійною, т.к. єє виробництво компенсується відведенням від системи, але це стаціонарне значення ентропії не відповідає її максимуму, як в ізольованій системі.

  найцікавіші властивості О. с. виявляються при нелінійних процесах. При таких процесах в О. с. можливе здійснення термодинамічно стійких нерівноважних (у окремому випадку стаціонарних) станів, що далеких від стану термодинамічної рівноваги і характеризуються певною просторовою або тимчасовою впорядкованістю (структурою), яку називають диссипативною, т.к. єє існування вимагає безперервного обміну речовиною і енергією з довкіллям. Нелінійні процеси в О. с. і можливість утворень структур досліджуються на основі рівнянь кінетики хімічної ; балансу швидкостей хімічних реакцій в системі з швидкостями подачі реагуючих речовин і відведення продуктів реакції. Накопичення в О. с. активних продуктів реакцій або теплоти може привести до автоколивального (що самоподдержівающемуся) режиму реакцій. Для цього необхідно, щоб в системі реалізувалася позитивна зворотний зв'язок : прискорення реакцій під впливом або її продукту (хімічний автокаталіз), або теплоти, що виділяється при реакції. Подібно до того, як в коливальному контурі з позитивним зворотним зв'язком виникають стійкі саморегульовані незгасаючі коливання (автоколивання), в хімічній О. с. з позитивним зворотним зв'язком виникають незгасаючі саморегульовані хімічні реакції. Автокаталітичні реакції можуть привести до нестійкості хімічних процесів в однорідному середовищі і до появи у О. с. стаціонарних станів з впорядкованим просторовим неоднорідним розподілом концентрацій (диссипативних структур з впорядкованістю на макроскопічному рівні). Характер структур визначається конкретним типом хімічних реакцій. У О. с. можливі також концентраційні хвилі складного нелінійного характеру.

  Теорія О. с. важлива для розуміння физико-хімічних процесів, лежачих в основі життя, т.к. жівой організм є стійким саморегульованим О. с., таким, що володіє високою організацією як на молекулярному, так і на макроскопічному рівні. Підхід до живих систем як к О. с., в яких протікають нелінійні хімічні реакції, відкриває нові можливості для дослідження процесів молекулярної самоорганізації на ранніх етапах виникнення життя.

  Теорія О. с. є окремим випадком загальної теорії систем, до яких відносяться, наприклад, переробки інформації, що розглядаються в кібернетиці системи, транспортні вузли, системи енергопостачання і ін. Подібні системи, хоча і не є термодинамічними, але описуються системою рівнянь балансу, в загальному випадку нелінійних, аналогічних що розглядається для физико-хімічних і біологічних О. с. Для всіх систем існують загальні проблеми регулювання і оптимального функціонування.

  Літ.: Шредінгер Е., Що таке життя? З точки зору фізика, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М., 1972; Гроот С., Мазур П., Нерівноважна термодинаміка, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Франк-Каменецкий Д. А., Дифузія і теплопередача в хімічній кінетиці, 2 видавництва, М., 1967; Гленсдорф П., Прігожін І., Термодинамічна теорія структури, стійкості і флуктуацій, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973; Панченков Р. М., Лебедев Ст П., Хімічна кінетика і каталіз, М., 1961; Пасинський А. Р., Біофізична хімія, М., 1963; Волькенштейн М. Ст, Біологія і фізика, «Успіхи фізичних наук», 1973, т. 109, ст 3; Прігожін І., Николіс Же., Біологічний порядок, структура і нестійкості, там же; Ейген М., Самоорганізація матерії і еволюція біологічних макромолекул, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973.

  Д. Н. Зубарев.