Под открытой в физике понимают термодинамическую систему, способную обмениваться с окружающей средой не сколько теплотой и работой, сколько также и массой.
Рисунок 1. Виды термодинамических систем. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Живые системы считаются системами открытого типа и по этой причине будут относиться к неравновесным. Подобная термодинамически открытая система характеризуется тем, что в ней наблюдается постоянное протекание химических реакций. Биохимические реакции на каждой стадии в совокупности считаются каталитическими. Катализаторами в таких реакциях становятся белки-ферменты.
Живой организм способен получать пищу из внешней среды (и также - кислород, воду) и выделять в нее, наряду с тем, различные вещества. Теплообмен производится между организмом и средой. В таких условиях пребывает, например, космонавт внутри космического корабля. Его организм при этом является открытой по отношению к кораблю системой. В то же время, сам корабль является отлично изолированным от внешней среды.
Открытые системы в термодинамике
Рисунок 2. Открытые системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Открытые системы производят непосредственный энергетический обмен с окружающей средой веществом, информацией и импульсом. Все реальные системы при этом считаются открытыми. К самому важному типу открытых систем можно отнести химические системы, в рамках которых наблюдаются химические реакции (поступление реагентов осуществляется извне, а продукты взаимодействия при этом отводятся).
Биологические системы и живые организмы возможны также к рассмотрению в формате открытых химических систем. Подобный подход к живым организмам делает возможным исследование процессов их развития и жизнедеятельности, основываясь при этом на законы термодинамики неравновесных процессов, химической и физической кинетики. В условиях неорганической природы, открытые системы производят обмен с внешней средой, также состоящей из различных систем, которым свойственны энергия и вещество.
В этом случае неравновесное состояние характеризуется аналогичными равновесному параметрами:
- температурой;
- химическими потенциалами компонентов системы и др.
В открытых системах энтропия также будет переменной, поскольку в них выполняются необратимые процессы, однако она при этом не накапливается, аналогично закрытым системам, а будет выводиться в окружающую среду.
Энтропия открытых систем в термодинамике
Рисунок 3. Энтропия в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Энтропия открытых систем в условиях неравновесного состояния определяется в виде суммы значений энтропий отдельно взятых малых элементов системы, пребывающих в состоянии локального равновесия (в результате аддитивности энтропии).
Процесс отклонений параметров термодинамики от их равновесных значений провоцируют в системе потоки:
- энергии;
- вещества.
Рост энтропии системы становится возможным благодаря процессам переноса. В рамках замкнутых систем энтропия начнет возрастать и стремиться к своему равновесному и максимальному значению.
В открытой системе вероятны стационарные состояния с постоянной энтропией (то есть при ее постоянном производстве), которая при этом должна быть отведена от системы. Стационарное состояние представляет в термодинамике открытых систем роль, аналогичную термодинамическому равновесию в термодинамике равновесных процессов для изолированных систем.
Энтропия открытых систем в таком состоянии, несмотря на постоянство, допускает несоответствие этого стационарного состояния ее максимуму.
Свойства открытых систем
Самые уникальные свойства открытых систем могут выявляться в условиях нелинейных процессов (когда в них наблюдается вероятность возникновения термодинамически устойчивых неравновесных состояний, которые далеки от состояния термодинамического равновесия). Они при этом характеризуются определенной временной (пространственной) упорядоченностью (диссипативная структура, существование которой подразумевает непрерывный обмен между веществом (энергией) и окружающей средой.
Первое определение открытой системы смог дать австрийский физик Э. Шредингер, который подчеркнул, что особенность биологических систем должна состоять в непосредственном обмене энергией и веществом с окружающей средой. Средство, посредством которого организм способен поддерживать себя на определенном высоком уровне упорядоченности (на довольно низком уровне энтропии), заключается в непрерывном процессе извлечения упорядоченности из окружающей среды.
Взаимодействующая со средой система не способна оставаться замкнутой, поскольку она нуждается в получении извне новых веществ или энергии и одновременно – в выведении в окружающее ее пространство использованного вещества (отработанной энергии).
С поступлением новой энергии (вещества) начинает возрастать неравновесность в системе. В конечном итоге, это провоцирует разрушение прежней связи элементов системы между собой, определяющей ее структуру. Тогда начинают появляться новые связи между элементами, способствующие кооперативным процессам. Схематически становится возможным процесс самоорганизации в открытых системах.
Примером процессов самоорганизации выступает лазер и его работа. Так, хаотические колебательные движения частиц кристалла, за счет энергетического поступления извне, будут приводиться в согласованное движение, что провоцирует увеличение мощности лазерного излучения. При исследовании процессов самоорганизации в лазере, немецкий физик Г. Хакен представил новое направление исследований - синергетику («взаимодействие»).
Еще одним примером может послужить самоорганизация в химических реакциях, связанная с поступлением новых реагентов извне, веществ, обеспечивающих продолжение процесса реакции, с одной стороны, и выведение ее продуктов в окружающую среду - с другой.
Нелинейные процессы в рамках открытых систем изучаются на основании уравнений химической кинетики (баланса скоростей химических реакций со скоростью подачи реагентов). Накопление в открытых системах активных продуктов реакции (теплоты) может спровоцировать автоколебательный (самоподдерживающийся) режим реакций. Для этого потребуется реализация в системе обратной связи (ускорение реакции под влиянием или продукта, или выделяющейся при реакции теплоты).
В открытой химической системе с присутствием положительной обратной связи появляются саморегулирующиеся незатухающие химические реакции. Внешнее проявление самоорганизации происходит с появлением в жидкой среде концентрических волн, что особо заметным становится в автоколебательных реакциях, открытых Б. Белоусовым и изученных А. Жаботинским.
На экспериментальном основании периодических реакций И. Пригожину удалось построить теоретическую модель (брюсселятор), которая впоследствии легла в основу новой (неравновесной или нелинейной) термодинамики. Под нелинейностью в термодинамике понимается то, что в ней задействованы нелинейные математические уравнения с содержанием переменных во второй или выше степени. Линейные уравнения, в условиях открытых систем или интенсивных воздействий на них, становятся нерациональными.
Открытие самоорганизации в условиях простейших систем неорганической природы, играют очень важное значение (научное и мировоззренческое), показывая, что подобные процессы возможны к осуществлению в основе материи, и проливая тем самым свет на взаимосвязи неорганической и органической природы.
Отсюда и возникновение жизни на нашей планете теперь не кажется случайным и редким явлением. С позиции самоорганизации становится очевидным, что весь окружающий мир и Вселенная представляют комплекс разносторонних самоорганизующихся процессов, служащих в качестве основания для любой эволюции.
