Второе начало термодинамики в открытых системах

Непосредственное применение второго начала классической термодинамики к открытым системам, в которых протекают неравновесные процессы, невозможно. Поэтому термодинамика неравновесных процессов базируется, как и классическая равновесная" термодинамика, на нескольких постулатах. Основными из них являются следующие [c.292]

Второе начало термодинамики в открытых системах [c.295]

Существенно отметить, что нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго начала термодинамики. Действительно, оказывается, что при необратимых процессах вдали от равновесия открытой системы этот закон определяет не только необходимость разрушения старых структур, но и возмож- [c.350]

Термодинамика различает изолированные, замкнутые и открытые системы. Первые не обмениваются с окружающим миром ни веществом, ни энергией — для них-то и справедливы первое и второе начала. Вторые [c.57]

Если историческое развитие науки действительно представляет собой самопроизвольный статистико-детерминистический процесс совершенствования структурной организации научного мировоззрения, то механизм этого процесса должен описываться бифуркационной термодинамической моделью. Следовательно, ему должны быть свойственны закономерности, присущие явлениям возникновения из хаоса пространственно-временных упорядоченных структур как в естественных, так и в экспериментальных диссипативных системах. Непременное условие появления такой структуры заключается в энергетическом и/или материальном обмене диссипативной системы с окружающей средой. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при которых все части системы хаотизируются и, следовательно, вносят положительный вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах в закритической области имеет место диспропорционирование энтропии между подсистемами, происходящее без нарушения второго начала термодинамики. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной структуры сопровождается одновременным, большим по абсолютной величш1е, увеличением энтропии остальной части изолированной системы. Сходство в этом отношении эволюции научного мировоззрения с известными процессами структурной самоорганизации физических, химических и биологических открытых систем представляется очевидным. [c.27]

Более общим случаем являются взаимные переходы теплоты и механической работы при различных способах расширения и сжатия системы. Анализ таких процессов был проведен еще в середине прошлого века в связи с теорией паровых (тепловых) машин. Создание такой теории и привело к открытию первого и второго начал термодинамики. Поэтому основные идеи термодинамики до сих пор иллюстрируют на примерах взаимных переходов теплоты в механическую работу, хотя важнейшие области применения термодинамики уже давно охватывают задачи химии, теории поверхностных явлений, электрофизические явления и многие другие, весьма далекие от теории и практики работы тепловых машин. [c.13]

Линейная термодинамика неравновесных процессов не объяснила способность открытых систем к самоорганизации и не решила принципиальный вопрос о совместимости второго начала термодинамики с процессами структурирования и, следовательно, не устранила противоречивость физической и биологической формулировок эволюционных идей. Таким образом, не удалась попытка создать общую теорию неравновесных процессов путем минимальной коррекции основ равновесной термодинамики, без внесения в термодинамическое рассмотрение качественно новых элементов. Тем не менее проделанная работа сыграла важную роль в последующем 4>азвитии термодинамического подхода. Она явилась началом движения в правильном направлении, а именно в направлении изучения свойств стационарных процессов открытых систем при удалении от положения равновесия. Линейная неравновесная термодинамика показала (и в этом ее принципиальное достижение), что непременными условиями структурирования открытых систем являются, во-первых, наличие взаимообусловленности между свойствами макроскопической системы и ее микроскопических составляющих и, во-вторых, взаимодействие с привносящей негэнтропию окружающей средой. Дальнейшие исследования вскоре привели к широким обобщениям и формулировке ряда характерных особенностей термодинамических моделей самопроизвольной пространственной и временной структурной организации и, таким образом, к становлению нелинейной неравновесной термодинамики. [c.448]

После успехов в области термодинамики наметились новые перспективы в кинетической теории материи связь между температурой газа и кинетической энергией движения молекул позволила Дж. Максвеллу создать метод исследования систем, состоящих из очень большого числа частиц. Максвелл вводит понятие вероятности и устанавливает свой знаменитый закон распределения скоростей. Работы Дж. Гиббса и Л. Больцмана способствовали быстрому развитию новых отраслей естествознания — статистической механики и статистической термодинамики. Больцман исследовал второе начало с точки зрения молекулярно-кинетических представлений и нашел функцию (Я-функция), обладающую тем свойством, что она в неравновесной системе при столкновении молекул уменьшается, но принимает постоянное значение, когда достигнуто равновесное состояние, отвечающее закону Максвелла. Эта функция отличается от энтропии только знаком. М. Планк выразил результат открытия Больцмана в сжатой форме энтропия пропорциональна логарифму вероятности данного состояния. Так успешно объединяются чисто термодинамические концепции с молекулярно-кинетическими. Выдающиеся исследования Гиббса приводят к созданию стройной теории термодинамических потенциалов и теории равновесия фаз, оказывая сильное влияние на все последующее развитие физической химии. [c.5]

В 1945 г. Шредингер написал книгу Что такое жизнь с точки зрения физики , оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них — термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, т. е. неупорядоченностью (второе начало термодинамики), и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организм питается отрицательной энтропие1и>. Это означает, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергие . Неравновесное состояние открытой системы поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема — общие структурные особенности органиа-мов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т. е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Как мы увидим, понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явлений жизни на основе теории информации. Третья проблема — соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает, квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос Почему атомы малы Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины — метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов Действительно, число атомов в наименьшей бактериальной клетке [c.12]

В термодинамике общим принципом является второе начало. Оно конструктивно и позволяет развить математический аппарат в случае, если все процессы в системе сильно диссипативны и быстро устанавливается термодинамическое равновесие. В биологических системах это условие не выполнено они являются открытыми и далекими от равновесия. Разумеется, процессы в них диссипативны, но релаксация к равновесию происходит не так быстро, как это требуется в термодинамике. Точнее, имеются, как правило, выделенные степени свободы, на которых концентрируется энергия, притекающая в систему, и существуют специальные, выработанные в процессе эволюции, способы, препятствующие диссипации. Таким образом, вблизи термодинамического равновесия могут находиться не все степени свободы системы, а лишь те, которые слабо связаны с выделенными. [c.258]

Второе положение — постулат о существовании температуры, или нулевой закон термодинамики. Свое второе название этот постулат приобрел в связи с тем, что вопрос об особых свойствах температуры возник в связи с обоснованием второго начала термодинамики уже после открытия обоих начал. Между тем логически он им предшествует. Отсюда и название — нулевой закон. Речь идет о следующем. 1 .1личне теплообмена между системами можно установить многими методами экспериментально физики. Системы, пе обменивающиеся теплотой, — это системы, находящиеся в тепловом равновесии. Однако в макроскопической физике условия равновесия всегда записывают в виде равенства некоторых обобщенных сил Рк —Рк"- [c.11]

Материальный и энергетический обмен диссипативной системы со средой (первое условие) происходит без нарушения второго начала термодинамики. В данном случае оно проявляется в более общем виде и относится к изолированной системе, в которую открытая диссипативная структура входит как подсистема. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при протекании которых все части системы хаотизируются и, следовательно, вносят положительный вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах происходит диспропорционирование энтропии. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной диссипативной структуры сопровождается одновременным увеличением энтропии остальной части изолированной системы. Второе условие означает невозможность описания диссипативной системы с помощью аппарата линейной термодинамики неравновесных процессов, а третье утверждает качественное отличие диссипативной структуры от равновесного [c.91]

В 50-е годы XIX в. почти одновременно были открыты второе начало термодинамики и законы биологической эволюции. Суть термодинамики была с предельной четкостью выражена Клаузиусом Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму . Основные законы биологической эволюции были сформулированы в знаменитой книге Дарвина О происхождении видов . В последующих исследованиях очень скоро стал ясен фундаментальный характер понятия эволюции для науки о жизни. Оказалось, что законы эволюции раскрываются как в процессе возникновения жизни, так и в развитии человеческого зародыша, становлении видов и экологических сообществ. Однако во второй половине XIX в. оставался по существу открытым вопрос о совместимости классической (универсальной ) термодинамики и представления о временной эволюции как о спонтанном образовании все более сложных структур. В самом деле, согласно принципам классической термодинамики энтропия всякой замкнутой системы возрастает со временем и достигает своего максимального значения, когда система приходит в состояние теплового равновесия, т. е., будучи предоставленной самой себе, система всегда стремится достичь состояния с минимальной степенью упорядоченности, допускаемой начальными условиями. Кажется, что это противоречит возможности непрекращающегося процесса струк-турообразования. [c.4]

Материальный и энергетический обмен диссипативной системы со средой (первое условие) происходит без нарушения второго начала термодинамики. Оно проявляется лишь в более общем виде и относится к такой изолированной макроскопической системе, в которую открытая диссипативная структура входит как подсистема. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при которых все части системы хаотизируются и, следовательно, вносят вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах имеет место диспропорционирование энтропии, которое, однако, происходит без нарушения второго начала. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной диссипативной структуры сопровождается одновременным [c.453]

Прежде всего необходимо отметить, что реагирующие системы, изучаемые в химии высоких энергий, в большинстве случаев являются открытыми, т. е. взаимодействующими потоками массы, энергии и др. со средой. В случае замкнутой системы строго выполняется второе начало термодинамики, имеет ясный физический смысл понятие одной и только одной температуры как параметра максвелл-больцмановского распределения. Для них применима аррениусова кинетика. В случае же открытой системы энтропия не обязательно только возрастает, как того требует термодинамика для замкнутой системы приращение энтропии (18 может иметь как положительный, так и отрицательный знак [c.8]

В самом деле, энергия поступает в организм в форме пищевых веществ (белков, жиров, углеводов), носителей химической энергии высокого потенциала. Эти пищевые вещества, ассимилируясь, в результате обмена могут распадаться. Энергия распада используется организмом на синтез, механическую работу, на производство тепла. Следовательно, в конечном итоге, химическая энергия высокого потенциала после превращений покидает организм в виде теплоты или продуктов распада (мочевина и др.), обладающих низким химическим потенциалом (см. табл. на стр. 27, 28). Это не вызывает сомнений, и с этой точки зрения приложимость второго начала термо-дш1амики к органическому миру очевидна. Однако организмы—незамкнутые системы. Это системы открытые. Отсюда теоретически мыслимо, что, обесценивая общие запасы энергии в результате обмена, организмы сами заряжаются до более высокого потенциала и все более уходят от состояния равновесия, требуемого вторым началом термодинамики. На эту зарядку уходит непрерывно поступающая энергия пищи, подобно тол у как повышается потенциал аккумулятора при его зарядке (А. В. Нагорный). Зеленые растения при этом не являются исключением, ибо для повышения энергетического потенциала ими используется солнечная энергия. [c.33]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология