Открытые системы. Их поведение вблизи и вдали от равновесия

Открытая термодинамическая система производит обмен с внешней средой веществом и энергией. Биологические системы — одни из них. Если потоки через систему малы, то ее можно считать квазизамкнутой и ее равновесное состояние будет почти совпадать с равновесным состоянием замкнутой системы. Энтропия системы есть характеристика степени неупорядоченности как открытых систем, так и систем в равновесном состоянии.

Если потоки через систему увеличиваются, то параметры системы будут отклоняться от их равновесных значений. Процессы переноса уменьшают энтропию системы, но увеличивают энтропию внешней среды. В 1947 г. И. Р. Пригожин в рамках развиваемой им нелинейной термодинамики ввел представление о производстве энтропии как параметре, который характеризует прирост энтропии системы в единицу времени. Второе начало термодинамики утверждает, что изолированная система стремится к возрастанию ее энтропии, а максимум энтропии — это ее равновесное состояние, в котором производство энтропии стремится к нулю. В открытых системах в стационарном состоянии происходит постоянное производство энтропии, которая выводится из системы наружу. В том же году И. Р. Пригожин доказал следующую теорему: если внешние условия препятствуют достижению системой равновесного состояния, то стационарное состояние системы будет соответствовать состоянию с минимальным производством энтропии.

Таким образом, аналогом равновесной изолированной системы являются стационарные неравновесные открытые системы.

В нелинейных системах допускаются термодинамические устойчивые неравновесные (в частном случае, стационарные) состояния, далекие от состояния термодинамического равновесия. Они характеризуются наличием либо пространственной, либо временной упорядоченности, называемой диссипативной, так как для ее существования требуется непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой. Примером такого состояния являются ячейки Бенара (рис. 10.1). Если мы поставим на огонь сковородку с маслом, то при определенных соотношениях между потоком тепла через слой масла и вязкостью последнего в нем образуются стационарные ячейки. То есть происходит постоянное движение масла, но оно становится упорядоченным, и образуются макроскопические стационарные ячейки.

Живые организмы являются устойчивыми саморегулируемыми открытыми системами, высокоорганизованными как на молекулярном, так и на макроскопическом уровне.

Рис. 10.1.