ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ

       

термодинамические системы, к-рые обмениваются с окружающей средой в-вом, а также энергией и импульсом. К наиболее важному типу О. с. относятся хим. системы, в к-рых непрерывно протекают хим. реакции (извне поступают реагирующие в-ва, а продукты реакций отводятся). Биол. системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые хим. системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физ. и хим. кинетики.

Св-ва О. с. описываются наиб. просто вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамич. равновесия мало, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: темп-рой, хим. потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и системы в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О. с. в неравновесном (локально-неравновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии (см. ЛОКАЛЬНОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ).

Отклонения термодинамич. параметров от их равновесных значений (т е р м о д и н а м и ч е с к и е с и л ы) вызывают в системе потоки энергии и в-ва (см. ПЕРЕНОСА ЯВЛЕНИЯ). Процессы переноса приводят к росту энтропии системы (производству энтропии).

Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному макс. значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы в О. с. возможны стационарные состояния с пост. энтропией при пост. производстве энтропии, к-рая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей хим. реакций и переноса реагирующих в-в и энергии. При таком «проточном равновесии» производство энтропии в О. с. минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О. с. такую же роль, какую играет термодинамич. равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О. с. в этом состоянии хотя и удерживается постоянной (производство энтропии компенсируется её отводом), но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму (в отличие от замкнутой изолированной системы).

Наиболее интересные св-ва О. с. выявляются при нелинейных процессах, когда в О. с. возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамич. равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), к-рую наз. д и с с и п а т и в н о й, т. к. её существование требует непрерывного обмена в-вом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образования структур исследуются на основе ур-ний хим. кинетики: баланса скоростей хим. реакций в системе со скоростями подачи реагирующих в-в и отвода продуктов реакций. Накопление в О. с. активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь; ускорение реакции под воздействием либо её продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому как в колебат. контуре с положит. обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в хим. О. с. с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции. Автокаталитич. реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным в пр-ве неоднородным распределением концентраций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного хар-ра. Теория О. с. представляет особый интерес для понимания физико-хим. процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм— это устойчивая саморегулирующая О. с., обладающая высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне. Подход к живым системам, как к О. с., в к-рых протекают нелинейные хим. реакции, создаёт новые возможности для исследования процессов мол. самоорганизации на ранних этапах появления жизни.

Теория О. с.— одно из направлений общей теории систем, к к-рым относятся, напр., рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы хотя и не явл. термодинамическими, но описываются системой ур-ний баланса, в общем случае нелинейных и сходных с аналогичными ур-ниями для физико-хим. и биол. О. с. Для всех подобных систем существуют общие проблемы регулирования и оптим. функционирования.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.