Стаціонарний стан відкритих систем і теорема Пригожина щодо мінімуму виробництва ентропії

Розглянемо поняття стаціонарного стану, котре відіграє важливу роль в термодинамічному описанні відкритих систем.

Повна зміна ентропії у відкритій системі може бути представлена як сума двох доданків

(5.16)

що описують в загальному вигляді такі процеси:

1) процеси зміни ентропії всередині системи

2) процеси зміни ентропії через взаємодію відкритої системи з навколишнім середовищем

Коли б всередині досліджуваної системи відбувалися лише зворотні процеси, то зміна ентропії була б відсутня Оскільки всередині реальної системи протікають незворотні дисипативні процеси, в результаті яких наробля­ється ентропія, то Щодо знака величини то він може бути довільним і залежить від того, відбувається поступлення ентропії в систему або відтік ентропії з неї, пов'язаний з потоками частинок, тепла та іншими проце­сами переносу через поверхню, що обмежує виділений об'єм досліджуваної системи.

Стаціонарним називається такий стан системи, при якому ентропія всієї відкритої системи 5 зберігаєть­ся, тобто повна зміна ентропії дорівнює нулю

Із умови постійності ентропії і рівняння (5.16) безпосередньо випливає, що . Тоді в силу позитивності зміни ентропії за рахунок дисипативних процесів, що відбуваються всередині системи, зміна ентропії через взаємодію відкритої системи з довкіллям повинна бути від'ємною і достеменно рівною за модулем зміні ентропії всередині системи. Подібна реалізація умови стаціонарності відкритої системи стає можливою, якщо ентропія, що наробляється всередині системи, повністю переходить в навколишнє середовище. Іншими словами, можна стверджувати, що відкриті системи у стаціонарному стані живляться негентропією (від'ємною ентропією)

в астрофізиці - це червона пляма Юпітера, полярні сяйва;

у хімії - періодична окислювально-відновлювальна реакція Бєлоусова-Жаботинського;

у біології - періодичні процеси при гліколізі і фото­синтезі, морфогенетичні процеси у сімействі колективних амеб, коливальна динаміка чисельності популяцій;

у медицині - утворення ревербераторів (спіральних хвиль) у міокарді, спіральні хвилі і гексагональні структури у сітківці ока при депресії Леао;

в обчислювальній техніці - паралельні обчислення і надійність роботи ЕОМ, розпізнання образів;

у соціології і політології - формування суспільної думки, стійкість політичних систем;

в екології - поширення епідемій (пандемій) і забруднення, а також велика кількість інших процесів.

Просте перерахування цих прикладів показує, що си­нергетика тісно пов'язана з різними галузями науки і техніки. Це не означає, що вона використовує цілковито різнорідні поняття. Одним з головних аспектів світогляд­ного значення синергетики, ціннішим досягненням синерге­тичного підходу якраз і є те, що в ній вдається обгрунтувати нові "перші принципи", що лежать в основі процесів само­організації і впорядкування або, більш загально кажучи, функціонування відкритих складних систем.

Одна з основних причин процесів самоорганізації та впорядкування формулюється у вигляді принципу, який можна було б назвати "принципом узагальненого дарвініз­му", а саме: просторові, часові та просторово-часові структури в органічному та неорганічному світі виника­ють як прояв колективних коливань через флуктуації, їх взаємодію і відбір тих з них, які мають найбільший час затухання (релаксації). Такі найтриваліші живучі процеси характеризуються змінними, які у синергетиці називаються параметрами порядку або керуючими модами (коливан­нями). Саме вони визначають еволюцію системи, котра первісно мала дуже багато степенів свободи. В результаті колективної взаємодії різних мод у такій системі може виділитися лише кілька параметрів порядку. У цьому полягає зміст принципу підлеглості, котрий відіграє дуже важливу роль у синергетичних процесах.

Впорядковані структури, які утворюються у відкритих системах, далеких від рівноваги, поділяються на просторові, часові і просторово-часові (табл. 5.1).

До просторових структур відносяться гексагональні комірки Бенара, згадані вище спіральні структури, що в певний момент часу можна спостерігати в реакції Бєлоусова-Жаботинського (БЖ), в колонії соціальних амеб (плаз­модії міксоміцети), в міокарді, на сітківці ока при депресії Лєао тощо.

Таблиця 5.1. Типи впорядкованих структур та їх параметри

Часові структури спостерігаються в екологічних су­спільствах (типовим прикладом є періодична з часом зміна чисельності популяцій в моделі "хижак-жертва", що буде розглянута пізніше), часові осциляції при гліколізі і фотосинтезі тощо.

Просторово-часові структури мають місце при спосте­реженні реакції Бєлоусова-Жаботинського протягом досить тривалого часу (десятки хвилин), в динамічних процесах розповсюдження ревербераторів в міокарді, при поширенні нервового імпульсу в аксоні тощо.

Розглянемо деякі приклади впорядкування та самоорга­нізації систем різної природи, про які згадувалося вище, докладніше. Особливу увагу при цьому ми будемо звертати на схожість, певну подібність цих явищ. Ця схожість поведінки різноманітних систем (наприклад, дивний перебіг періодичної хімічної реакції Бєлоусова-Жаботинського, утворення спіральних структур в колонії соціальних амеб, поява ревербераторів у міокарді тощо) дає підстави говорити про так званий "ізоморфізм", тобто подібність, явищ утворення впорядкованих структур у зовсім різних за своєю природою відкритих системах.

Рис. 5.1. Спіральні хвилі в ре­акції Бєлоусова-Жаботинського (фотографія А.Т. Вінфрі).

Періодична хімічна реакція Бєлоусова-Жаботинсько­го. У 1951 році радянський хімік Б.П. Бєлоусов відкрив нову реакцію, суть якої зво­дилася до того, що протя­гом кількох годин з пері­одом приблизно 4 хвилини змінювався колір хімічно реагуючих компонентів - від червоного до синього і навпаки, тобто ця реакція бУла періодичною. Лише через вісім років Б.П. Бєлоусову вдалося надрукувати повідомлення про своє відкриття у реферативному журналі "Сборник рефератов по радиационной медицине" за 1958 г. Далі теоретичні аспекти цієї реакції розроблялися А.М. Жаботинським, а потім А.М. Заїкіним. Було з'ясовано, що хімічна реакція Бєлоусова є окисно-відновною, автокаталітичною реакцією, в якій беруть участь іони церія змінної валентності. Саме зміна валентності іонів церія від 3 до 4 (і навпаки) викликає зміну кольору реакції. У 1970 р. А.М. Заїкін і А.М. Жаботинський створили зручні умови для експериментального спостереження періодичної хімічної реакції, відкритої Б.П. Бєлоусовим, коли вилили розчин, в якому відбувалася ця реакція, тонким шаром в чашку Петрі. В такій системі, яка потім отримала назву хімічного реак­тора Заїкина-Жаботинського, ними спостерігалися спіраль­ні автохвилі хімічної активності - дуже ефектні природні структурні утворення (рис. 5.1). Якщо спіральні хвилі в чашці Петрі, що вивчалися А.М. Жаботинським та А.М. Заї­кіним, були двовимірні, то американський біофізик А. Уінфрі зміг спостерігати згодом тривимірні автохвилі хімічної активності. Детальний хімічний механізм періодич­ної реакції Бєлоусова був остаточно описаний (після перших робіт А.М. Жаботинського і А.М. Заїкіна) венгерським вченим Є. Керошем та американцями Р. Філдом і Р. Нойєсом. Останні розробили для цього спеціальну кінетичну модель, яка отримала назву "орегонатор" (за назвою американського штату Орегон, де мешкали автори цієї моделі). Інша кінетична модель "брюсселятор", що мала також за мету пояснення перебігу періодичної авто-каталітичної хімічної реакції Бєлоусова-Жаботинського, була створена І.Р. Пригожиним та Г. Ніколісом (назва моделі пов'язана, очевидно, зі столицею Бельгії, де у Вільному Університеті Брюсселя працює лауреат Нобе­лівської премії І.Р. Пригожий).

Спіральні структури в колонії соціальних амеб. Ще один дивний приклад самоорганізації можна спостерігати у біологічному суспільстві, а саме - в колонії соціальних амеб (грибів-слизовиків). Соціальними ці амеби називаються тому, що їм притаманна властивість до об'єднання (агрегації) у відповідні просторові структури, які мають спіральну форму. Виявляється, що коли амеби мають вдосталь їжі, вони існують як окремі і розвиваються індивідуально. Зовсім інша ситуація відбувається, коли їжа закінчується. Тоді голодні амеби починають спонтанно та в імпульсному режимі виділяти спеціальну хімічну речови­ну - цАМФ (циклічний аденозинмонофосфат), який відіграє роль морфогена, тобто сприяє формоутворенню. Просторо­вий розподіл цього морфогена, точніше кажучи, - градієнт концентрації цАМФ, є просторовою міткою, яка дає можли­вість всім іншим амебам збиратися (агрегувати) у спіральні або концентричні структури. Таким чином, механізм хіміч­ної сигналізації виявився надзвичайно важливим у процесі формоутворення - морфогенезу. Принциповим є той факт, що структури в колонії соціальних амеб (рис. 5.2) виявля­ються подібними до автохвиль хімічної активності в реакції Бєлоусова-Жаботинського не лише за зовнішніми ознака­ми, а й тому що ці спіральні утворення виникають у відкри­тих системах, які є активними за своєю природою, (іншими словами, збудливими через існуючий в них запас енергії).

Рис. 5.2. Спіральні структури в колонії соціальних амеб (фотографія Г. Гереша і Б. Хесса).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: