Неравновесная термодинамика открытых систем

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]

Теорема Пригожина утверждает, что производство энтропии является неравновесной функцией состояния, играющей ту же роль, что и функции состояния в равновесной термодинамике. В открытой системе при бесконечно малых вариациях производство энтропии удовлетворяет следующим условиям dP > О (условие эволюции), Р = шах, dP = О (условие текущего равновесия). [c.447]

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]

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]

Первая проблема— термодинамические основы жизни. Отличие живого организма от тел неживой природы состоит в исключительно высокой упорядоченности организма, подобного в этом смысле апериодическому кристаллу , к способности этой упорядоченности поддерживать себя и производить упорядоченные явления. Речь идет о саморегуляции и самовоспроизведении организмов и клеток. Шредингер объяснил эту особенность тем, что организм — открытая система, существующая в неравновесном состоянии благодаря потоку энтропии во внешнюю среду. Организмы непрерывно создают порядок из порядка , извлекают упорядоченность из окружающей среды в виде хорошо упорядоченного состояния материи в пищевых продуктах . Шредингер отвечает на вопрос о причине макро-скопичности, многоатомности организма. В системе, состоящей из малого числа атомов, флуктуации должны уничтожать упорядоченность. Именно благодаря многоатомности организм существует в соответствии с законами термодинамики. [c.16]

Структурная организация биосистем молекулярного уровня. Дж. Холдейн в 1935 г. утверждал "Активное поддержание нормальной и притом специфической структуры и есть то, что мы называем жизнью понять сущность этого процесса - значит понять, что такое жизнь" [46. С. 24]. В решении проблемы об особой структурной организации живого и установлении элементарного уровня этой организации определяющую роль, как и в решении многих других проблем, в частности рассмотренных в предшествующих разделах, играют два, уже не раз отмечавшихся события. Одно из них - становление молекулярной биологии, которая сделала возможным постановку проблемы применительно к простейшей и самой фундаментальной биологической системе (молекулярной). Второе событие - создание теоретических основ изучения неравновесных процессов, спонтанно протекающих в открытых системах вдали от положения равновесия. Появление нелинейной неравновесной термодинамики сняло казавшееся принципиальным противоречие с вопроса о противоположной направленности физической и биологической эволюционных концепций и открыло путь к строгому описанию конкретных механизмов самопроизвольного возникновения порядка из хаоса. Было доказано, что основные положения этой области знаний справедливы для трактовки процессов самоорганизации, протекающих как в биологических системах, так и в открытых неорганических системах, физических и химических. [c.49]

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]

Таким образом, неравновесная термодинамика уже в линейном приближении доказывает возможность протекания в открытых системах процессов, запрещенных в замкнутых системах. Это имеет фундаментальное значение для биологии. [c.316]

Отсутствие серьезного прогресса вплоть до начала 1980-х годов можно было объяснить неразработанностью теоретических основ изучения процессов структурообразования, протекающих в открытых системах вдали от положения равновесия речь идет о целой области естественнонаучных знаний - нелинейной неравновесной термодинамики или физики статистико-детерминистических процессов. Немалую роль, по-видимому, играл и психологический барьер, возникающий всякий раз при встрече с уникальным, не имеющим аналогий и, следовательно, требующим нетрадиционного подхода, явлением, каким, безусловно, является спонтанное возникновение трехмерной структуры белка. Подход, до последнего времени используемый в изучении механизма свертывания, имеет следующие характерные черты принципиального порядка. [c.82]

В заключение важно отметить, что в подходах к проблеме химической эволюции у И. Р. Пригожина и А. П. Руденко есть много общего. Общим является отрицание актуалистических теорий и противопоставление им эмпирически обоснованных теорий, решающих вопрос о возникновении порядка из хаоса, о саморазвитии открытых химических систем. Общим является также привлечение в качестве отправного пункта неравновесной термодинамики, статистических, кинетических и информационных принципов, или методов, исследования. Различие же состоит главным образом в разных самоорганизующихся объектах и разных целях исследования. У Пригожина такими объектами являются макросистемы, а основная цель исследования — доказательство принципиальной возможности самоорганизации. Концепция Пригожина не описывает химическую эволюцию с естественным отбором. Руденко, напротив, исследует самоорганизацию микросистем, преследуя цель реконструкции всего хода химической эволюции через естественный отбор вплоть до выяснения механизма ее тупиковых форм и биогенеза. В этом смысле можно сказать, что теория Руденко предметнее отражает проблемы эволюционной химии как самостоятельной концептуальной системы. Эта теория может уже сегодня решать практические задачи освоения каталитического опыта живой природы и управления химическими процессами, относящимися к нестационарной технологии. Перед учением Пригожина такого рода задач сегодня поставить нельзя. Однако если говорить [c.216]

Термодинамика открытых систем, или неравновесная термодинамика, рассматривает стационарное состояние как наиболее упорядоченное состояние открытой системы, при которой скорость возрастания энтропии минимальна. Жизнь - это постоянная борьба против тенденции к возрастанию энтропии (А. Качальский, исследователь открытых систем). [c.72]

Изучение открытых систем - одно из перспективных направлений термодинамики завтрашнего дня. Самоорганизация в открытых системах всегда выступала как островок сопротивления второму началу равновесной термодинамики, которое предсказывает дезорганизацию и разрушение структуры в изолированной системе при эволюции к равновесию, Заслугой неравновесной термодинамики является установление того факта, что самоорганизация - общее свойство открытых систем. При этом именно неравновесность служит источником упорядоченности, Этот вывод послужил отправной точкой для идей синергетики, выдвинутых учеными Брюссельской школы во главе с И. Пригожиным. [c.67]

Таким образом, производство энтропии в рассматриваемом случае есть симметричная билинейная функция потоков и сил. В уравнении (VI.8) П есть производство энтропии в системе, взятой в целом. Другими словами, П — интегральное выражение для производства энтро-пнн. Уравнение (VI.8) играет в неравновесной термодинамике большую роль. Оно выполняется не только для изолированных, но и для любых других систем, закрытых и открытых. [c.182]

Еще до построения термодинамики открытых систем Бауэр писал о неравновесных свойствах организмов. Основной закон биологии по Бауэру гласит ...живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях [4]. Идеи Бауэра остались непонятыми его современниками, как, впрочем, и некоторыми новейшими комментаторами (см., например, [5]). Бауэр приближался к современной биофизике, но сегодня его работы сохранили главным образом исторический интерес. Существенно то, что Бауэр доказывал возможность атомно-молекулярного истолкования жизни ...неравновесное состояние живой материи и, следовательно, ее постоянно сохраняющаяся работоспособность обусловливаются... молекулярной структурой живой материи, а источником работы, производимой живыми системами, служит в конечном счете свободная энергия, свойственная этой молекулярной структуре, этому состоянию молекул [4]. [c.14]

Главные термодинамические особенности живой системы состоят в том, что такие системы открыты и неравновесны. Соответственно необходима не термостатика, но термодинамика в истинном смысле этого слова, учитывающая изменения термодинамических величин во времени. Неравновесная термодинамика смыкается с кинетикой. Здесь мы ограничимся некоторыми основными положениями. [c.22]

Непосредственное применение второго закона классической термодинамики к открытым системам, в которых протекают неравновесные процессы, встречает ряд трудностей. [c.123]

Линейная связь (1.5.17) между потоками и обобщенными силами предполагает слабость этих сил, т. е. близость системы к состоянию полного теплового равновесия. В некоторых случаях, несмотря па применимость локально-равновесного описания, обобщенные силы, действующие в системе, достаточно велики. Соотношения (1.5.17) следует тогда заменить определенными нелинейными законами, выражающими потоки через обобщенные силы. Возникающая в результате теория носит название нелинейной неравновесной термодинамики. Подчеркнем, что и в этом более общем случае сформулированные выше утверждения о положительности производства энтропии и поведении энтропии открытых систем сохраняют свою силу. [c.21]

Поэтому в открытых системах, которые во всяком случае при dS <0 являются неравновесными, -может в целом или локально возрастать упорядоченность (энтропия — мера неупорядоченности, dS kin W), т. 0. возникать и существовать без нарушения второго закона термодинамики новые структуры, некоторые из которых могут оказаться устойчивыми [81. [c.79]

С точки зрения термодинамики открытых систем неравновесные структуры в живых и других системах, находящихся в стационарном состоянии и поддерживающихся постоянной потерей свободной энергии (диссипацией энергии), называются диссипативными структурами . Диссипация энергии, как мы видели, — основная черта систем, находящихся в динамическом состоянии. При этом неизбежно происходит увеличение энтропии. Диссипативные структуры особенно подробно рассмотрены Пригожином [1472—1474]. С помощью анализа можно выяснить общие свойства таких систем и, исходя из этих свойств, показать, что некоторые типы систем существовать не могут. И все же результаты анализа, как всегда бывает в термодинамике, явно допускают многие разные молекулярные или надмолекулярные меха- низмы и потому не могут ограничить или предсказать их. [c.23]

Как следует из предыдущего, баланс энтропии играет фундаментальную роль в методах неравновесной термодинамики. В общем случае в основе составления такого баланса лежит уравнение Гиббса, которое для открытой системы представим в таком виде [c.342]

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]

В последующем изложении мы попытаемся обсудить несостоятельность равновесной термодинамики, решить проблему структурной организации белка и выяснить возможность в этом отношении нелинейной неравновесной термодинамики — физики открытых диссипативных систем, возникшей в первой половине 1980-х годов. Предпринимаемая попытка имеет, по-видимому, и более общее значение, так как биологические объекты всех уровней структурной организации являются открытыми системами. Учитывая это обстоятельство, а также демонстрируемую большинством авторов публикаций по свертыванию белковых цепей осведомленность в специфике используемого ими подхода, представляется целесообразным перед изложением общей теории самосборки белка кратко остановиться на некоторых принципиальных моментах и понятиях равновесной и неравновесной термодинамики. [c.433]

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]

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]

Так как по определению Т, > Т2, выражение имеет отрицательный знак и система, действительно, отдает энтропию, причем в стационарных условиях ровно столько, сколько производит. Потеря системой энтропии означает возникновение более высокой организации. Если следовать статистической термодинамике Больцмана, то упорядоченная конвекция Бенара должна иметь практически нулевую вероятность. В действительности же она оказалась самой предпочтительной. Поскольку высокоорганизованное когерентное состояние системы возникло далеко от положения равновесия, остается сделать вывод о неприменимости лежащей в основе больцмановской статистики теории вероятностей для описания неравновесных процессов открытых систем вдали от равновесия. Причина неприменимости, как будет показано далее, связана с флуктуациями, которые неустойчивы и размываются только в положении равновесия и в близкой к нему области. Вдали от него некоторые из флуктуаций или их определенные сочетания могут [c.449]

Неравновесная термодинамика рассматривает процессы, при которых систе.ма проходит через неравновесные состояния. К чи J y постулатов неравновесной термодинамики, называе.мой линейной, относятся соотношения Онсагера, характеризующие линейную связь между потоком и термодинамической силой в системе. Линейная неравновесная термодинамика рассматривает процессы, которые близки к равновесным. Таких процессов много, но еще больше неравновесных процессов происходит в открытых систе.мах, далеких от равновесия. Дальнейшее развитие нелинейной неравновесной термодинамики открытых систем связано с именем бельгийца русского происхождения, лауреата Нобелевской премии И.Р. Пригожина. [c.65]

П., получаемая в лаб. условиях, является в термодинамич. смысле открытой системой и всегда термодинамически неравновесна. Процессы переноса эиергии и массы приводят к нарушению локального термодинамич. равновесия и стационарности (см. Химическая термодинамика), закон Планка для поля излучения, как правило, не выполняется. П. наз. термической, если ее состояние описывается в рамках модели локального термич. равновесия, а именно все частицы распределены по скоростям в соответствии с законом Максвелла т-ры всех компонент одинаковы состав П. определяется законом действующих масс, в частиости ионный состав обусловлен равновесием между ионизацией и рекомбинацией (ф-ла Эггерта-Саха по сути является выражением для константы равновесия этих процессов) заселенности энергетич. уровней всех частиц подчиняются распределению Больцмана. Термическая П. характеризуется обычно высокой степенью ионизации и м. б. реализована в газах с относительно малой эффективной энергией ионизации при достаточно высокой оптич. плотности (т. е. излучение П. почти целиком поглощается ее собств. частицами). Обычно П. описывается моделью частичного локального термич. равновесия, к-рая включает все вышеперечисл. положения, но требует подчинения закону Больцмана заселенностей лишь возбужденных уровней частиц П., исключая их основные состояния. Такую П. наз. квазиравновесной пример квазиравновесной П.-столб электрич. дуги при атм. давлении. [c.551]

Флуктуации будут играть важную роль в последующем изложении. Поэтому поясним понятие флуктуации на известном примере хаотического движения коллоидной частицы в жидкости, открытого Р. Бро-уном в 1827 г. Лишь спустя 80 лет А. Эйнштейном и независимо М. Смолуховским была разработана теория броуновского движения, согласно которой перемещение частицы является результатом возникновения по разные ее стороны областей неодинаковой плотности жидкости, что приводит к мгновенной разности соударений окружающих ее частиц. Ситуация полностью описывается в рамках теории случайных процессов. Броуновское движение не прекращается во времени и это означает, что области неравномерной плотности вещества существуют всегда и при установившемся стационарном распределении жидкости или газа в объеме. Такие статистические все время возникающие и исчезающие области с большим или меньшим, чем в среднем, числом частиц в малом объеме и являются в данном примере флуктуациями. Следовательно, множество частиц обладает, и это является опытным фактом, еще одним важным свойством - иметь флуктуации - небольшие случайные отклонения от средних значений температуры, плотности, энергии, скорости движения частиц, положений атомных групп в молекуле и т.д. Во многих случаях флуктуации не приводят к заметному макроскопическому эффекту, ими вообще пренебрегают, например, в равновесной и линейной неравновесной термодинамике, кинетической теории газов и жидкостей и т.д. Вернемся, однако, к рассмотрению примеров самоорганизации системы вдали от положения равновесия, где они играют определяющую роль. [c.450]

ТЕРМОДИНАМИКА, см. Химическая термодинамика. ТЕРМОДИНАМИКА ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ, изучает сложные гетерог. хим. и бнол. системы, прежде всего открытые системы, обменивающиеся со средой в-вом и энергией. В зависимости от целей и зада> исследования протекающие в этих системах процессы могут рассматриваться как неравновесные или как равновесные (квазиравно-весные), а состояние системы-как нестационарное илн как стационарное (квазистационарное). Подход Т. и. с. состоит [c.535]

Одним из основных представлений, развиваемых Пригожиным является понятие о негоэнтропии - энтропии, которую получает открытая система извне. Принцип Пригожина относится к одно.му из постулатов неравновесной термодинамики в любой неравновесной системе существуют локальные участки, находящиеся в равновесном состоянии. В классической термодинамике равновесие относится ко всей системе, а в неравновеснбй - только к ее отдельным частям. Это означает, что термодинамические функции состояния зависят от координат системы и времени процесса. Классическая термодинамика игнорирует подобную зависимость. Важно подчеркнуть, что продолжительность внешнего воздействия значительно превышает время элементарного процесса формирования равновесия в отдельных частях системы х,, т.е. х х . [c.65]

Берталанффи считает биологические явления познаваемыми средствами точной науки. Мнимое противоречие с термодинамикой снимается, если учесть, что организмы — открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом и энергией. Между тем каноническая термодинамика относится к изолированным системам. Поэтому для физического истолкования биологических явлений необходима термодинамика открытых систем, неравновесная термодинамика. Берталанффи усматривает основу теоретической биологии в теории систем. Система — совокупность объектов, взаимодействующих друг с другом. Свойства системы нельзя представить суммой свойств. образующих систему элементов. Рассмотрение системности позволяет исследовать проблемы целостности, динамического взаимодействия и организации. Для биологии эти проблемы — основные. [c.14]

Общие закономерности неравновесной термодинамики были сформулированы другим лауреатом Нобелевской премии (за 1977 г.) И. При-гожиным, который показал, что неравновееность в открытых системах обусловливает появление упорядоченности различных структур, что снижает значение энтропии системы при протекании самопроизвольных процессов. Новые знания о поведении реальных систем обобщил Г. Хакен, предложив термин синергетика. [c.55]

Линейная неравновесная термодинамика, развитая Приго-жиным [20] (см. также [22—24]), дает общее объяснение анти-энтропийности биологических процессов, раскрывая возможность существования открытой системы в стационарном, но неравновесном состоянии.. Исследования ряда биофизических явлений, в частности мембранного транспорта, показывают, что соотношения Онзагера (1,29) зачастую в них выполняются [25]. Однако линейная неравновесная термодинамика заведомо неприменима к рассмотрению онтогенеза и филогенеза, к процессам возникновения организованных структур из неорганизованных, к периодическим процесса . Биология требует нелинейной термодинамики. В биологии мы встречаемся с ситуациями, далекими от равновесия, в которых стационарные состояния могут быть неустойчивыми, т. е. условие (1,43) может не соблюдаться. [c.28]

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]

К 50-м годам XX века накопилось достаточное количество факторов, которые показали, что классическая термодинамика недостаточно точно описывает процессы, протекающие в далеких от условия равновесия системах, какими являются нефтехимические системы, и в так называемых открытых системах, т. е. в системах, обменивающихся веществом и энергией с окружающей средой. Первые шаги в изучении неравновесной термодинамики сделал еще в 1931г. Л. Онзагер, который сформулировал принципиальную взаимосвязь кинетических коэффициентов переноса массы и энергии в близких к равновесию системах, за что в 1968 г. был удостоен Нобелевской премии. [c.55]

Наиболее важными понятиями термодинамики являются система, процесс, параметры состояния системы. Под системой понимают комплекс взаимосвязанных элементов (природных или созданных человеком), который способен потреблять, преобразовывать и накапливать энергию. Системы бывают открытыми, закрытыми и замкнутыми. Открытые системы обмениваются с внешней средой и веществом и энергией. Закрытые системы обмениваются с внешней средой только энергией и не обмениваются веществом. У замкнутых систем нет обмена с внешней средой ни веществом, ни энергией. Природные системы, в том числе живые, являются открытыми. Различают самоорганизующиеся (неравновесные) и несамоорганизующиеся (равновесные, косные) системы. [c.319]

Обратимся теперь к развитой Пригожиным в 1970-1980-е годы нелинейной термодинамике неравновесных процессов, важнейшими составными частями которой являются теории диссипативных систем и бифуркаций. На первый взгляд может показаться, что рассмотренные на ее основе системы существенно отличаются от выбранной системы структурной организации белков. Конвекционные ячейки Бенара, когерентное излучение лазера, турбулентное движение жидкости, реакция Белоусова-Жаботинского, модель Лотке-Вольтерра, описывающая взаимоотношения между "хищником и жертвой", - все это открытые диссипативные структуры. Динамические процессы перечисленных и подобных им неравновесных макроскопических систем, действительно, приводят при достижении условий, превышающих соответствующий критический уровень, к спонтанному возникновению из беспорядка высокоорганизованных пространственных, пространственно-временны х и просто временных структур. Однако во всех случаях поддерживание возникшего из хаоса порядка в стационарном режиме оказывается возможным только при постоянном энергетическом и/или материальном обмене между окружающей средой и динамической системой. Совершающийся в такой открытой системе неравновесный процесс вдали от положения равновесия связан с диссипацией, т.е. с производством энтропии, или, иными словами, с компенсируюпщм это производство потреблением негэнтропии из окружающей среды. Перекрытие внешнего потока негэнтропии автоматически приводит к прекращению системой производства энтропии и, как следствие, распаду созданной диссипацией структуры. У открытых диссипативных систем аттрактором является не равновесное состояние, а расположенное далеко от него состояние текущего равновесия. [c.462]

Определить возможность самопроизвольного перехода изолированной системы между двумя состояниями можно методами классической термодинамики. В открытой системе возникают стационарные состояния, которые могут находиться либо вблизи, либо далеко от термодинамического равновесия. Вопрос о возможности перехода открытой системы из некоего начального в конечное стационарное состояние можно репшть, сравнивая величины скорости образования энтропии в этих состояниях, если они оба лежат в области линейной термодинамики, т. е. вблизи термодинамического равновесия. Однако вдали от равновесия уже нельзя сделать однозначных выводов о том, как меняется скорость образования энтропии. Эволюция таких неравновесных динамических систем определяется прежде всего кинетикой взаимодействия составных элементов и движением системы по фазовым траекториям, а не статистической упорядоченностью начального и конечного состояний системы. Такие системы имеют ограниченное число конечных состояний и ведут себя наподобие "химических мапшн". Поэтому распространение идей термодинамики на неравновесные системы может дать лишь дополнительную характеристику далеких от равновесия стационарных состояний, положение и пути достижения которых определяются исходными дифференциальными уравнениями. [c.82]

Вопросам самоорганизации живых эволюционирующих систем посвящен ряд фундаментальных работ (Эйген, Шустер, 1982 Кеплен, Эссиг, 1986). Почти полвека развивается термодинамика неравновесных систем, основанная И. При-гожиным. Работами его школы определены условия возникновения упорядоченности и самоорганизации в открытых системах, обменивающихся веществом и энергией с окружающей средой. Изучение периодических реакций в химии привело этих исследователей к рассмотрению эволюции макромолекул (Эйген, Шустер, 1982). Им удалось проанализировать циклические процессы в явлениях катаболизма и создать математическую модель работы Ьас-оперона. Таким образом, был намечен путь анализа регуляторных процессов в биологически возбудимых средах, путь к установлению иерархии динамических структур на клеточном уровне (Кеплен, Эссиг, 1986). [c.10]

В последние годы работами ряда авторов, и прежде всего И. Пригожина и П. Гпенсдорфа, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются соотношения взаимности Онсагера Это новое, далеко еще не завершенное физическое учение, получившее название нелинейной неравновесной термодинамики, приводит к возможности спонтанного возникновения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, т. е. к процессу их самоорганизации. [c.280]

Такой вывод ошибочен. Дело в том, что живой организм—неравновесная, открытая система и в соответствии со вторым началом термодинамики его упорядоченность подлерживастся оттоком энтропии в окружающую среду. Если изолировать организм вместе с вешествами, необходимыми д 1я его существования, то в этой изолированной сист ме этропия будет возрастать. [c.332]