Открытые термодинамические системы

Семинар 6 тема 5 Открытые термодинамические  системы.

Понятие открытых систем

Открытые  системы (О.С.) - термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному  типу О.С. относятся химические системы, в которых непрерывно протекают  химические реакции, происходит поступление  реагирующих веществ извне, а  продукты реакций отводятся. Биологические  системы, живые организмы можно  также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к  живым организмам позволяет исследовать  процессы их развития и жизнедеятельности  на основе законов термодинамики  неравновесных процессов, физической и химической кинетики.

Наиболее  простыми являются свойства О.С. вблизи состояния термодинамического равновесия. Если отклонение О.С. от термодинамического равновесия мало и её состояние изменяется медленно, то неравновесное состояние  можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, химическими 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 систем в равновесном  состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О.С. в неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии.

Отклонения  термодинамических параметров от их равновесных значений (термодинамические  силы) вызывают в системе потоки энергии и вещества. Происходящие процессы переноса приводят к росту  энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени  называют производством энтропии.

Согласно  второму началу термодинамики, в  замкнутой изолированной системе  энтропия, возрастая, стремится к  своему равновесному максимальному  значению, а производство энтропии - к нулю. В отличие от замкнутой  системы, в О.С.возможны стационарные состояния с постоянным производством  энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей химических реакций и  переноса реагирующих веществ 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 термодинамическое  равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных  процессов. Энтропия О с. в этом состоянии  удерживается постоянной, т.к. её производство компенсируется отводом от системы, но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму, как в изолированной системе.

Наиболее  интересные свойства О.С. выявляются при  нелинейных процессах. При таких  процессах в О.С. возможно осуществление  термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, т.к. её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О.С. и возможность образований структур исследуются на основе уравнений кинетики химической; баланса скоростей химических реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакции. 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 реакций под воздействием либо её продукта (химический автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому, как в колебательном контуре с положительной обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в химической О.С. с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся химические реакции. Автокаталитические реакции могут привести к неустойчивости химических процессов в однородной среде и к появлению у О.С. стационарных состояний с упорядоченным пространственным неоднородным распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью на макроскопическом уровне). Характер структур определяется конкретным типом химических реакций. В О.С. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного характера.

Теория  О.С. важна для понимания физико-химических процессов, лежащих в основе жизни, т.к. живой организм представляет собой  устойчивую саморегулирующуюся О.С., обладающую высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопическом уровне. Подход к живым системам как к  О.С., в которых протекают нелинейные химические реакции, открывает новые  возможности для исследования процессов  молекулярной самоорганизации на ранних этапах возникновения жизни.

Теория  О.С. является частным случаем общей  теории систем, к которым относятся, например, рассматриваемые в кибернетике  системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения  и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются  системой уравнений баланса, в общем  случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико-химических и биологических О.С. Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования