Термодинамика необратимых процессов Открытые системы

Все рассмотренные выше термодинамические соотношения, раскрывающие смысл второго закона термодинамики, относятся к замкнутым системам. В открытых системах энтропия может изменяться в результате обмена вещества с внешней средой. Тогда в уравнении (235) появится дополнительный член, учитывающий изменение количества вещества (числа молей) в системе. Более подробно этот вопрос не будет здесь обсуждаться следует лишь упомянуть о том, что изучение открытых систем открывает возможность для применения второго закона термодинамики к живым организмам. Ранее вызывала сомнение сама возможность применения второго закона термодинамики к живым организмам, поскольку такие системы характеризуются сложными процессами (из почти бесструктурной клетки развивается сложно организованная система), связанными с понижением энтропии. В то же время в организме постоянно происходят необратимые процессы, вызывающие увеличение энтропии. Частично энтропия может передаваться во внешнюю среду в процессе теплообмена, в большей степени она переходит во внешнюю среду при обмене веществ. [c.241]

Принципиальным успехом теории термодинамики необратимых процессов явилось нахождение взаимосвязи между скоростью производства энтропии за счет самопроизвольных необратимых процессов внутри открытой системы и установлением в ней стационарного неравновесного состояния. Иными словами, во многих случаях оказалось возможным по характеру изменения во времени величины предсказывать установление в открытой системе [c.339]

Перечень достижений естествознания XX в. фундаментальной важности был бы неполным без еще одного эпохального события, которое произошло совсем недавно - в конце 70-начале 80-х годов. Речь идет о возникновении нелинейной неравновесной термодинамики, или физики открытых систем. Ее становление обязано прежде всего И.Р. Пригожи-ну, разработавшему теорию динамических состояний макроскопических систем особого типа - диссипативных самоорганизующихся структур -и теорию бифуркаций, дифференцирующую беспорядочные флуктуации на обратимые (равновесные) и необратимые (неравновесные). Они составили основу для изучения явлений, суть которых определяется неразрывной связью макроскопических свойств большого ансамбля с индивидуальными свойствами микроскопических составляющих. В открытых системах, находящихся вдали от положения равновесия, могут протекать процессы, приводящие к спонтанному возникновению порядка из хаоса. Источником самопроизвольного конструирования пространственного и пространственно-временного порядка на всех уровнях структурной организации системы является необратимость бифуркационных флуктуаций. [c.10]

Если система еще не достигла равновесия, она находится в неравновесном состоянии, характеризующемся наличием в системе фади-ентов некоторых параметров и поэтому потоков вещества и/или энергии. Рассмотрением состояния таких систем занимается термодинамика необратимых (неравновесных) процессов. При этом ее основной задачей обычно является отыскание одиночных или множественных локальных стационарных состояний, а также анализ их устойчивости. В гл. 17 и 18 показано, что в связи с возможной неустойчивостью стационарных состояний иногда конечным результатом эволюции открытой системы, находящейся вдали от термодинамического равновесия, может быть образование особого рода диссипативных структур. В качестве наиболее высокоорганизованных объектов последнего рода можно рассматривать живые организмы. [c.290]

В термодинамике необратимых процессов постулируется, что упомянутые составляющие /Д и являются независимыми, а общее изменение энтропии открытой системы равно их сумме [c.295]

Характерной особенностью термодинамики необратимых процессов является то, что в иее в явном виде входит время. Прн этом рассматриваются открытые системы, т. е. системы, которые обмениваются с окружающей средой различными веществами. Вполне очевидно, что живые организмы не могут считаться замкнутыми системами, с которыми оперирует классическая термодинамика, и являются открытыми системами. Для любой открытой системы характерно наличие непрерывного потока вещества в каком-то направлении. За счет этого в системе устанавливается градиент концентраций и одно из первостепенных значений приобретают явления переноса. Серьезной проблемой, ограничивающей применение в биологии термодинамики необратимых процессов, является то, что большая часть соотношений этой науки справедлива лишь для состояний, близких к равновесию, в то время как живые существа чаще всего весьма далеки от него. Поскольку биохимические реакции могут протекать очень быстро, не вполне ясно, может ли термодинамика необратимых процессов в том виде, как она сейчас существует, помочь в решении большинства биохимических задач. Однако в любом случае подход этот достаточно важен и при серьезном изучении биохимии без его рассмотрения никак нельзя обойтись. [c.233]

Уравнения (1.38) описывают термодинамику обратимых и необратимых процессов в системах любых типов открытых, закрытых и изолированных. [c.33]

При формулировке первого закона термодинамики предполагается, что энергия может преобразовываться только в теплоту или работу. Однако принципиально энергия системы можег меняться также при изменении количества вещества при удалении вещества из системы оно уносит часть внутренней энергии этой системы, а при поступлении вещества в систему последняя получает дополнительное количество энергии. Системы, в которых возможно изменение количества вещества за счет его притока или выноса из системы, называют открытыми. Если такой процесс невозможен, систему называют замкнутой. Следует отличать еще изолированную систему, в которой невозможен обмен с внещней средой не только веществом, яо и энергией. В изолированных системах энергия всегда остается постоянной. Термодинамическое исследование открытых систем приобрело важное значение при переходе к живым организмам, которые находятся в обмене веществом с внешней средой. Эти системы также широко используются при моделировании непрерывных процессов в химической промышленности, где в химический реактор (систему реакторов) непрерывно поступают исходные вещества, а на выходе— конечные продукты. Теория открытых процессов (систем) достаточно хорошо разработана, поскольку исторически она возникла одновременно с термодинамикой необратимых процессов, однако при дальнейшем изложении теория открытых процессов не будет рассматриваться более глубоко. [c.220]

Остановимся теперь на третьей формулировке термодинамики необратимых процессов. Согласно этой формулировке, скорость роста энтропии в открытых системах минимальна. Система выбирает, следовательно, свои параметры (например, Ар в задаче о переносе через барьер) так, чтобы по возможности уменьшить скорость роста энтропии. Покажем это на примере выше рассмотренной системы с двумя силами и потоком. [c.420]

Следует заметить серьезные осложнения, которые возникают при применении термодинамики к биохимическим процессам. Это связано с тем, что, как правило, термодинамика имеет дело с закрытыми системами, находящимися в равновесии, а живые организмы относятся к открытым системам, в которых равновесие обычно отсутствует. Они находятся в так называемом стационарном состоянии, когда концентрация частиц поддерживается постоянной за счет непрерывного притока и оттока веществ из системы любая клетка в равновесном состоянии — это уже мертвая клетка. Для рассмотрения открытых систем требуются методы термодинамики необратимых процессов, обсуждение которых выходит за рамки данного учебника. Однако следует особо подчеркнуть, что в пределах термодинамики обратимых процессов возможно решение многих важных частных теоретических и прикладных задач биохимии. [c.51]

Перечисленные эмпирические закономерности, характерные для стационарных процессов в открытых (незамкнутых) системах, лежат в основе термодинамики необратимых процессов. [c.293]

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]

Обпще выводы. В гл. V-VI изложены основные положения феноменологической термодинамики необратимых процессов, главным образом в применении к анализу химических реакций или к таким изменениям в открытых системах, для которых можно использовать понятие скорости реакций и химического потенциала. Важно подчеркнуть, что попытки применить такой подход для анализа не отдельных процессов метаболизма, а общих свойств целостных биологических систем встречает ряд принципиальных трудностей. [c.156]

Вот этот-то принцип стационарного состояния Пригожин й Виам использовали для интерпретации биологических явлений с точки зрения термодинамики необратимых процессов. С их точки з рения организм, как открытая система, характеризуется 0>О [2]. [c.34]

Системы, рассматриваемые в термодинамике необратимых процессов, делят на изолированные, закрытые и открытые. Изолированной системой называют систему, для которой полностью исключен обмен массой и энергией с внешней средой. Закрытая система может обмениваться со средой энергией, но обмен массой исключается. Открытая система обменивается с внешней средой и массой, и энергией. [c.186]

В стационарном состоянии концентрации промежуточных продуктов перестают изменяться со временем, что достигается при определенных соотношениях между скоростями различных химических процессов, ответственных за образование и распад промежуточных соединений (см. гл. I). В открытой системе суммарное изменение энтропии в стационарном состоянии равно нулю йЗ = -V (1 3 = 0. Однако при этом члены (1еЗ и (1 3, соответствуюш ие процессам обмена системы с окружаюш ей средой и внутренним необратимым процессам внутри системы, отличны от нуля. Возникает вопрос каким образом изменение энтропии за счет самопроизвольных необратимых процессов внутри открытой системы связано с установлением в ней стационарного неравновесного состояния Иными словами, можно ли по характеру изменения во времени величины ( З/сИ, предсказать установление в открытой системе стационарного состояния В такой постановке эта проблема сходна с проблемой классической термодинамики о предсказании направления самопроизвольных необратимых процессов в изолированной системе на основе характера изменения ее энтропии. В последнем случае необратимые изменения всегда идут в направлении увеличения энтропии, которая достигает своего максимального значения в конечном равновесном состоянии [см. (У.1.4)]. [c.137]

Строгая структурная организация биосистем тесно связана с законами термодинамики. Согласно И закону термодинамики процессы, происходящие в изолированной системе, направлены в сторону увеличения энтропии (необратимые процессы) или, в предельном случае, энтропия остается постоянной (обратимые процессы) с18> 0. Живые организмы постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, т. е. являются открытыми системами (с точки зрения термодинамики) или относительно изолированными системами (с точки зрения кибернетики), поэтому для них не характерна энтропийная закономерность, спра- [c.29]

Это заключение будет справедливо и в общем случае, если в системе протекает несколько процессов, связанных между собой уравнениями Онзагера. Формулы (V.4.5) и (V.4.6) выражают следующий важный результат, полученный в термодинамике необратимых процессов для открытых систем, находящихся вблизи равновесного состояния. [c.138]

Живые биологические системы являются открытыми, и протекающие в них реакции относятся к разряду неравновесных. Однако эти динамические, необратимые жизненные процессы происходят внутри организованной или самоорганизующейся, устойчивой или крайне медленно меняющейся структуры. Это дает возможность при рассмотрении молекулярных уровней организации биосистем и механизмов биохимических реакций исходить из условного термодинамического равновесия и использовать приемы и методы феноменологической равновесной и статистической термодинамики [см. 3, 4]. [c.4]

С позиций основного постулата термодинамики необратимых процессов о разделении приращения энтропии открытой системы на две независимые части удалось объяснить общие закономерности изменения энтропии в биологических системах. Было показано, что в стационарном состоянии скорость производства энтропии в ходе внутренних необратимых процессов в открытых системах достигает минимального положительного значения (теорема Пригожина). Эти результаты, однако, справедливы только вблизи равновесия в области линейной термодинамики . Именно здесь выполняются линейные соотношения между скоростями и движущими силами процессов, а также соотношения взаимности Онзагера. [c.5]

В гл. 4 и 6 мы доказали на многочисленных примерах, что в нелинейных открытых системах возможно спонтанное образование пространственных и временных структур. Теперь возникает вопрос подчиняются ли процессы структурообразования общим физическим принципам, подобным второму началу термодинамики, или же эти процессы носят особый характер. Фундаментальные исследования Пригожина и Гленсдорфа [23, 169] доказали существование вариационных принципов для стационарных нелинейных процессов. В рамках настоящего введения мы можем изложить лишь важнейшие положения теории Пригожина и Гленсдорфа. (Читатель, которого заинтересуют подробности, может обратиться к посвященной именно этим вопросам монографии Пригожина и Гленсдорфа [23].) Главная физическая величина, исследуемая новой теорией, — это производство энтропии, которое играет в необратимых процессах столь же важную роль, как энтропия в равновесных системах. К этой величине относятся вышеупомянутые общие физические принципы, которые также называются критериями эволюции. Термин эволюция используется здесь, как у Пригожина и Гленсдорфа, в узком смысле фи зической эволюции , т. е. относится к направленному развитию физических систем. [c.179]

Эти замечания абсолютно верны, но в действительности они естественным образом подводят к необходимости рассмотрения энергетики сократительных систем в рамках термодинамики необратимых процессов, которая восходит к первому и второму законам термодинамики и является модификацией основных термодинамических соотношений специально для неравновесных систем. Вместо того чтобы рассматривать только начальное и конечное состояния при различных переходах в системе, неравновесная термодинамика учитывает в явной форме сам процесс перехода. В отличие от классической термодинамики, в которой неявно предполагается, что мышца действует как закрытая система, это предположение не подразумевается и не является необходимым в неравновесной термодинамике, которая превосходно приспособлена к исследованию открытых систем. [c.289]

За последние два десятилетия естествознание сумело приблизиться к пониманию явлений спонтанного возникновения высокоупорядоченных структур во многих самых разнообразных физических, химических и биологических открытых системах. Было осознано существенное различие в природе равновесных и неравновесных процессов, выработан новый взгляд на случайность и необходимость, разработаны теория диссипативных самоорганизующихся структур и теория бифуркаций - необратимых флуктуаций, играющих конструктивную роль в возникновении порядка из хаоса. Это стало возможно благодаря созданной главным образом трудами И. Пригожина и его школы нелинейной неравновесной термодинамики. Открывшиеся новой наукой перспективы необычайно широки и многообещающи. Ее общие положения о процессах самоорганизации в открытых диссипативных системах, классических и квантовых, биологических и неорганических, легли в основу исследований во многих областях естествознания и гуманитарных наук. Становление нелинейной неравновесной термодинамики привело к качественным изменениям таких фундаментальных понятий в физике, как время и динамика. [c.88]

Теорема Пригожина разрешила важнейший для термодинамики линейных необратимых процессов вопрос о точной характеристике стационарного состояния открытой системы, что резко расширило область применения этого раздела термодинамики. [c.26]

ГЛАВА XXIII Термодинамика необратимых процессов Открытые системы [c.423]

Открытой системой и термодинамике необратимых процессов называется система, обменивающаяся с окружающей средой ио только энергией, но и веществом. Очеиидно, что и организмы и любые их целостные части являются открытыми системами. См. р1, 2]. [c.227]

Феноменологическая термодинамика необратимых процессов применима главным образом к анализу химических реакций или таких изменений в открытых системах, для которых можно использовать понятия макроскопической скорости реакции и химического потенциала. При этом вычисление диссипативных функций основано на уравнениях химической кинетики, которые позволяют производить совместный кинетико-термодинамический анализ динамической эволюции реакционноспособной системы через вычисление скоростей и движущих сил процессов. Однако большинство из сушествующих математических моделей многих каталитических, технологических и особенно биологических систем с использованием дифференциальных уравнений могут отразить лишь отдельные стороны исследуемых процессов, но не описывают сложные реакции в совокупности. Особенно это относится к физико-химическим явлениям, лежащим в основе важнейших биологических процессов роста, развития, адаптации к внешним воздействиям и эволюции живых структур. [c.394]

Термодинамические способы расчета идеальных моделей горных пород можно выполнить с помощью классической, равновесной термодинамики, квазитермодинамики и неравновесной термодинамики. Способы равновесной термодинамики позволяют получить общие представления о физических первопричинах равновесия, провести классификацию моделей. Квазитермодинамика дает возможность рассматривать мгновенное состояние системы, близкое к состоянию равновесия, позволяет изучать только изотермические процессы без учета потока частиц. С помощью квазитермодинамики можно получить более точные характеристики горных пород. Наиболее полно количественно описать петрофизические модели можно при использовании для расчетов метода, базирующегося на законах термодинамики необратимых процессов, которые описывают открытые системы. Так или иначе все горные породы на протяжении своего существования являются системами открытыми, т. е. способными обмениваться с окружающей средой различными видами энергии. Этот обмен осуществляется в виде потока. Потоки электричества, тепла, радиоактивных частиц и т. п. вызываются соответствующими движущими силами — градиентами потенциала, температуры, концентрации и пр. При использовании термодинамики необратимых процессов в обычные формальные построения в явном виде вводится новый фактор — время. [c.35]

Ректификация — это необратимый процесс фазового превращения, происходящий в проточной системе (необратимость в далном случае является следствием обесценивания тепла). Аппарат классической термодинамики применим лишь для закрытой системы и обратимых процессов. Поэтому с его помощью можно анализировать лишь процесс равновесной дистилляции (испарение) или конденсации. Затем необходим поэтапный переход к анализу дифференциально равновесных процессов в открытой системе и процессов в проточной системе. Наконец, должен быть применен аппарат термодинамики необратимых процессов для получения феноменологических уравнений кинетики. [c.6]

Изменение энтропии в открытых системах. Применение второго закона к биологическим системам в его классической формулировке приводит, как кажется на первый взгляд, к парадоксальному выводу, что процессы жизнедеятельности идут с нарушением принципов термодинамики. В самом деле, усложнение и увеличение упорядоченности организмов в период их роста происходит самопроизвольно. Оно сопровождается уменьшением, а не увеличением энтропии, как следовало бы из второго закона. Ясно, что увеличение энтропии в необратимых самопроизвольных процессах должно происходить в изолированных системах, а биологические системы являются открытыми. Проблема поэтому заключается в том, чтобы понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе, и выяснить, можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в том, что мы должны учитывать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. Постулируется, что общее изменение энтропии открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой с1е5, либо вследствие внутренних необратимых процессов [c.70]

Постгшовка проблемы. В предыдущих разделах были представлены методы вычисления скорости продуцирования энтропии в открытых системах и описано их применение в изучении свойств биологических объектов. Общее заключение, которое следует из приведенного материала, состоит в том, что хотя нахождение диссипативных функции р (У.3.1), (У.З.б) и имеет значение для энергетической характеристики системы, однако определить на этой основе направление ее эволюции можно только в области линейной термодинамики, где справедливы соотношения (У.3.3), (У.З.б). Это обстоятельство, конечно, существенно ограничивает область применения термодинамики необратимых процессов в анализе свойств биологических систем, которые находятся вдали от термодинамического равновесия. Поэтому вдали от равновесия однозначных выводов о значениях величины р при приближении системы к стационарному состоянию сделать нельзя. Это особенно важно для биохимических превращений, где наиболее характерны реальные переходы с изменением значения термодинамического потенциала АС порядка 4-8 кДж/моль, в то время как применимость линейных соотношений в химических реакциях ограничена пределами изменения АО 0,8 кДж/моль и где, кроме того, существуют дополнительные кинетические ограничения. [c.145]

Последовательное эволюционное мировоззрение в настоящее время, напротив, базируется на утверждении о якобы непроти-воречии эволюции второму началу термодинамики [18, 54]. Согласно этому, энтропия, произведенная необратимыми процессами внутри открытой системы (биосферы, техносферы), переносится ( экспортируется по терминологии известного физика И. Пригожина) в окружающую среду ( ), что и позволяет, [c.19]

Большинство изучаемых в природе термодина.ушческих систем -открытые системы, т е, способные обмениваться энергией с внешней средой. Классическая термодинамика рассматривает в основном равновесные состояния системы, в которых параметры не изменяются во вре.мени. В открытых же системах реакции и соответствутощие энергетические превращения происходят постоянно, поэтому нужно знать скорости трансфор.мации энергии в каждый момент времени. Это значит, что в энергетических расчетах нужно учитывать фактор времени, для чего необходимо сочетать термодина.мический и кинетический подходы к описанию свойств открытой системы. Проблема заключается в том, чтобы понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе и выяснить, можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность при решении этой проблемы состоит в том, что необходимо учитьшать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. [c.65]

Таковы (в первом приближении) физические и физико-химические явления, происходящие при вспенивании полимеров с помощью ФГО, которые и составляют предмет исследования. Следует подчеркнуть, что до настоящего времени нет общего подхода к решению указанных проблем сегодня ситуация такова, что предметом исследования являются лишь частные задачи изучение процессов, происходящих с данным ФГО в данной полимерной системе и при данном методе вспенивания. Мы считаем, что значительного прогресса как в решении отдельных прикладных задач, так и для создания общей теории вспенивания полимерных систем, составной частью которой является научно обоснованный подбор ФГО, можно достигнуть с помощью существенно иного и нового (для данной области полимерного материаловедения) методологического подхода. Этот подход состоит в анализе указанного комплекса физических и физико-химических превращений с позиций теории Пригожина [312а], т. е. термодинамики необратимых и неравновесных процессов. Правомерность и перспективность такого подхода обусловлены тем, что в термодинамическом смысле физическая сущность процессов, происходящих в системе полимер—ФГО , состоит в том, что данная система является открытой, так как обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом и в принципе термодинамически нестабильна. [c.154]

Термодинамика, линейных необратимых процессов, т. е. процессов, где потоки и силы связаны линейно, объясняет особенности открытых систем — сопряжение потоков и возникновение стационарных неравновесных состояний. Важным вопросом теории стационарного состояния является вопрос о критериях такого состояния. В термодинамике линейных необратимых процессов доказывается, что стационарное состояние может быть охарактеризовано следующим принципом, получившим название теоремы Пригожина в стационарном состоянии при фиксированных внешних параг.ютрах скорость продукции энтропии в системе постоянна по времени и минимальна по величине. [c.26]

Критерий эвол оиии системы в классической термодинамике состоит в том, что энтропия для необратимых процессов в изолированной системе стремится к максимальной величине (критерий Клаузиуса). В открытой системе производство энтропии для необратимых процессов стремится к минимуму критерий Пригожина). Из теоремы Пригожина следует, что если система по той или иной причине выведена из стационарного состояния, то она будет изменяться до тех пор, пока удельная скорость продукции энтропии не примет наименьшего значения, т. е. достигает минимума диссипативная функция. Другими словами, эволюция открытой системы к стационарному состоянию описывается неравенством [c.26]

Строго говоря, принципы термодинамики применимы только к замкнутым системам, которые ие обмениваются материей с окружающей средой. Совершенно очевидно, что хлоропласт, клетка или интактное растение представляют собой открытые системы они могут находиться в стационариом состоянии, когда синтез (анаболизм) полностью компенсирует распад (катаболизм), но никогда ие достигают подлинного термодинамического равновесия. Тем не менее при анализе биологических процессов классическую равновесную термодинамику можио использовать как упрощенную идеализированную основу, вполне пригодную во многих случаях в отсутствие необратимой, или неравиовесной, термодинам]и<и. [c.20]

Под закрытыми системами понимаются такие, в которых отсутствует обмен материальными частицами с внешней средой (системы с постоянными массами). Такая система может обратимо или необратимо взаимодействовать с внешней средой посредством процессов теплопереноса, или совершая работу того или иного вида против внешних сил. Кроме того, внутри такой системы возможно перераспределение вещества между ее частями, например, однородная система может разделиться на две (или больше) сосуществующие фазы. При этом в системе в целом общая масса вещества не изменится. Отдельные фазы такой системы можно рассматривать как системы открытые. К закрытым системам можно применять общие уравнения термодинамики типа (I. П5) или (I. 115а), но в них нужно считать все величины п п1,п2,. .., л ) постоянными, а величины [c.56]

При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем 1) биологические системы открыты для лотоков вещества и энергии 2) процессы в живых системах в конечном счете имеют необратимый характер 3) живые системы далеки от равновесия 4) биологические системы гетерофазны, структурированы и отдельные фазы могут иметь небольшое число молекул. [c.19]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология