Системы равновесия

 

Выражением структурной устойчивости является «закон равно­весия», формулированный А. Л. Ле-Шателье для физических и химических систем, но в действительности тектологический, т. е. универсальный.

Системой равновесия можно назвать такую, которая сохраняет свое данное строение в данной среде. Обычная иллюстрация — весы в их спокойном состоянии. Если на одну чашку их произведено давление, например, положена гирька, то эта чашка начинает опускаться, другая — поднимается, а коромысло из горизонтального становится наклонным: структурное измене­ние. Но по мере того, как оно происходит, в самой системе возни­кает противодействие ему: чашка с гирькой падает с замедле­нием и только до известного предела, за которым начинается даже обратное движение, а после колебаний устанавливается новое, измененное равновесие, определяемое простыми механи­ческими условиями.

Иллюстрация более сложная: вода и лед в одном сосуде при 0 °С, т. е. при температуре замерзания и таяния. Если нагре­вать сосуд, то часть льда поглощает притекающую тепловую энергию, переходя в воду, и этим противодействует нагреванию: температура смеси поддерживается прежняя, пока не растает весь лед. А если, вместо нагревания ту же смесь подвергнуть по­вышенному давлению, то часть льда, переходя опять-таки в воду, объем которой меньше, тем самым противодействует по­вышению давления внутри смеси. Смесь жидкой и твердой рту­ти в случае нагревания реагирует также таянием, противодей­ствующим изменению температуры; но на повышенное давле­ние реакция противоположная — часть ртути замерзает. Почему? Потому что ртуть, как и огромное большинство тел, в твердом виде занимает объем меньший, чем в жидком, и следо­вательно, росту давления в смеси противодействует не таяние, а замерзание ртути; оно и происходит; вода, по исключению, представляет противоположные отношения объема, поэтому то же противодействие достигается обратным путем.[7] Если в насыщенном растворе какой-нибудь соли находятся ее кристал­лы, то, нагревая систему, или охлаждая ее, или варьируя дав­ление, мы получим дальнейшее растворение и осаждение с поглощением, выделением теплоты, изменением объема и дав­ления в сторону, обратную нашему воздействию. Электрон, движущийся с постоянной скоростью в эфире, при всяком изме­нении этой скорости получает «дополнительную массу» в со­ответственном направлении; т. е. в системе «эфир — элек­трон» возникает противодействие изменению скорости. Если в электрическом проводнике циркулирует постоянный ток, то всякое изменение этого тока вызывает так называемую самоин­дукцию, которая направлена противоположно этому измене­нию, уменьшает его и т. п.

Закон Ле-Шателье формулируется так: если система равно­весия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направлен­ные так, чтобы противодействовать этому изменению.

Уже давно из опыта известно, что закон этот действителен не только для физических и химических систем, но и для многих других. Так, живые организмы в обычных условиях относятся к внешним воздействиям подобным же образом. Если челове­ческое тело подвергать охлаждению, в нем немедленно начи­нают усиливаться окислительные и другие химические процес­сы, развивающие теплоту; если же нагревать его извне, то повышается потоотделение с испарением, поглощающим тепло­ту. Таков же смысл «съеживания» от холода, причем уменьша­ется поверхность охлаждения; и когда черепаха прячется при всяких неблагоприятных влияниях в свой щиток, это опять-таки уменьшение поверхности внешнего воздействия. Согласно зако­ну Вебера — Фехнера по мере роста внешнего раздражения ощущение растет не в такой же мере, а только пропорциональ­но его логарифму, т. е. сравнительно все медленнее;[8] это озна­чает, что вместе с силой внешнего раздражения возрастает все быстрее сопротивление ему, так что до нервных центров энергия наиболее сильных раздражений доходит в наименьшей доле, иначе эти центры с их тонкой чувствительностью, зависящей от нежного строения, быстро разрушались бы. Так, наше зрение еще воспринимает свет звезды 6-й величины; но световое раздражение от солнечного диска приблизительно в десять миллионов триллионов (10¹³) раз значительнее: какой мозг был бы способен выдерживать непосредственно такие раз­личия силы воздействий?

Можно путем простого анализа показать, что закон равно­весия применим ко всякой системе, сохраняющей данное строе­ние в данной среде. Начнем со сравнительно простого и весьма типичного примера — системы «вода и лед при 0°С». Пусть она подвергается нагреванию. Согласно современной научной символике это значит, что колебания молекул в окружающей среде становятся более энергичными, а их удары, передающие­ся молекулам воды и льда,— более сильными. Эта энергия дви­жения частиц, выражающаяся в их «температуре», есть актив­ность одного порядка с их сцеплением, способна с ним конъюгировать, парализуя его. Так здесь и происходит.

Нагревшиеся молекулы воды своими усилившимися удара­ми передают избыток своей энергии движения пограничным молекулам льда. Избыток этот парализуется активностями сцепления льда, пока не уравняется с ними; а тогда получается полная дезингрессия, которая, как мы знаем, вызывает разрыв связи: поверхностная частица льда отрывается, переходит в массу жидкой воды. Вся избыточная тепловая энергия, при­обретенная частицей до того момента, ушла на борьбу с актив­ностями сцепления, на то, чтобы парализовать их: поэтому ки­нетическая энергия самой частицы оказывается не больше, чем была, и по-прежнему измеряется температурой 0°С. То же происходит и со следующими частицами льда. Таким образом, при нагревании общей массы воды в пограничной со льдом об­ласти поддерживается прежний уровень 0 °С, противодействуя этому нагреванию, пока не исчезнет весь лед.

Если дело идет не о нагревании, а о повышающемся давле­нии, то это означает, что кинетическая энергия частиц окру­жающей среды в среднем для каждой частицы не увеличи­вается, но увеличивается число их ударов, действующих на по­граничную область данной системы. И здесь от частиц к частицам прибавляющиеся активности давления передаются внутрь ее. Они увеличивают частоту столкновений между ча­стицами, стремясь тем самым уменьшить размах их движений. И опять-таки эти вливающиеся активности способны конъюги­ровать и вступать в дезингрессию с сцеплением молекул льда; при дезингрессии они отрывают их и присоединяют к жидкости, а так как объем воды меньше, чем объем льда, то давление тем самым уменьшается.

Но, как уже упоминалось, вода — исключение. Если взять другую подобную систему, например «твердая ртуть — жид­кая ртуть», то наблюдается прямо противоположное. Добавоч­ные активности давления вступают в дезингрессию не со сцеплением частиц твердого тела системы, а с активностями, проти­водействующими сцеплению в жидкости. Давление уменьшает амплитуду (размах) движения частиц жидкости, так что эта амплитуда становится меньше расстояния между частицами, и они колеблются, уже не заходя друг за друга, не перемеши­ваясь свободно, а удерживаясь около одного среднего положе­ния: так именно движутся частицы твердого тела. Происходит замерзание некоторой доли жидкости; при этом объем ее, одна­ко, уменьшается, что, как в предыдущем случае таяния льда, уменьшает давление.

Почему же активности одного рода — сила давления — па­рализуют путем дезингрессии в двух разных случаях не одина­ковые, а прямо противоположные активности, как бы выбирая те, которые надо, по закону Ле-Шателье? Дело именно в выборе и есть, только не в сознательном, разумеется, а в стихийном подборе.

Молекулярные движения научная теория представляет в виде бесчисленных и разнообразно направленных «бесконечно малых» активностей. Если в систему вступают извне новые та­кие активности, то, очевидно, следует принять всевозможные их сочетания с прежними, всевозможные элементарные их столкновения, их конъюгации, дезингрессии. Но из этих соче­таний одни будут устойчивы, другие — неустойчивы; первые будут удерживаться, вторые — устраняться подбором.

Так, в системе «вода—лед» активности внешнего давле­ния должны вступать в дезингрессии частью с движением моле­кул жидкости, переводя их в твердое состояние, частью со сцеп­лением молекул льда, расплавляя его. Но так как лед занимает больше объема, чем вода, из которой он получился, то в слу­чаях первого рода от этого давление будет возрастать, в случаях же второго рода оно будет уменьшаться. Спрашивается, какие из этих изменений окажутся устойчивее?

Ответ зависит от строения системы, в которой эти процес­сы происходят; пока оно неизвестно, не исключена ни та, ни дру­гая возможность. Но надо вспомнить, что такие же точно про­цессы шли в системе и раньше, до вступления новых активно­стей: отдельные частицы воды переходили в лед, увеличивая внутреннее давление, отдельные частицы льда — в воду, умень­шая давление. Если бы те и другие из этих изменений были бо­лее устойчивыми, то вся система отнюдь не явилась бы системой равновесия, ее структура непрерывно преобразовывалась бы: в первом случае в одну сторону, во втором — в другую. Этого не было: те изменения, которые переходили известную границу, немедленно оказывались менее устойчивыми и устранялись подбором. Структура систем равновесия для современного науч­ного мышления тем и характеризуется, что они заключают в себе противоположные процессы, взаимно нейтрализующиеся на некотором уровне. Дело представляют таким образом, что на этом уровне напряжения противоположно направленных актив­ностей равны; когда же один из двух процессов, усиливаясь, поднимается над этим уровнем, то напряжение соответственных активностей становится более значительным и поток их направ­ляется в обратную сторону, как вода, поднявшись выше своего среднего уровня, падает вниз. Так поддерживается равновесие, а с ним и устойчивость системы в обычных условиях.

Теперь можно судить заранее о том, что получится, когда вступающие извне активности давления в различных конъюгациях и дезингрессиях обусловливают превращение некоторых частиц воды в лед, некоторых частиц льда в воду. Изменения первого рода, еще увеличивая давление, создают новую раз­ность напряжений, которая направляет поток активностей в обратную сторону; следовательно, эти изменения неустойчивы, подбором устраняются. Изменения второго рода, уменьшая дав­ление, которое уже повышено над средним уровнем, уменьшают и разность напряжений и обратного потока активностей не вы­зывают; а потому они устойчивее первых, подбор для них благоприятнее. Результат именно тот, какой соответствует зако­ну Ле-Шателье: обнаруживается процесс, уменьшающий эф­фект внешнего воздействия, как бы противодействующий ему.

В примере с ртутью, напротив, переход твердых частиц в жидкое состояние повышает давление, переход жидких в твердое — понижает. Поэтому при внешнем давлении процессы первого рода как увеличивающие разность напряжений будут менее устойчивы, процессы же второго рода как ее уменьшаю­щие — более устойчивы. Общий результат подбора — обратный предыдущему, опять в согласии с законом Ле-Шателье. И то же, очевидно, должно иметь место для всякой системы равно­весия, какие бы активности ее ни составляли, какие бы противоположные процессы в ней ни нейтрализовали друг дру­га. Например, в нашем организме постоянно происходят про­цессы, освобождающие и поглощающие теплоту, в приблизи­тельном равновесии по отношению к данной среде; если она изменяется в сторону нагревания, усиливаются процессы, погло­щающие теплоту; если в сторону охлаждения, то противопо­ложные — теплообразующие.

Но все это относится именно к системам равновесия. С неуравновешенными системами дело обстоит совершенно ина­че. В них если и идут изменения одновременно в двух противо­положных направлениях, то одна из двух групп их устойчивее, а потому целое преобразовывается шаг за шагом в ее сторону. Какие же результаты получаются при внешнем воздействии на такого рода комплексы?

Иллюстрацией может послужить смесь водорода и кислоро­да, называемая также гремучим газом. При обыкновенной температуре она кажется вполне уравновешенной системой, ни­какими нынешними методами нельзя непосредственно обнару­жить в ней происходящего химического изменения. На деле оно, однако, происходит: смесь превращается в водяной пар, т.е. процессы соединения водорода с кислородом преобладают над обратным. Но реакция здесь идет так медленно, что нужны, по приблизительному расчету, основанному на наблюдении хода ее при высоких температурах и на формуле изменения скорости реакций Вант-Гоффа, сотни миллиардов лет, чтобы она завершилась. Это система ложного равновесия, как ее обозначают; она не уравновешена химически, а также в смысле температуры, потому что при реакции выделяется те­плота и смесь должна, хотя неуловимо, самонагреваться.

Пусть к ней прилагается внешнее воздействие — нагревание. Внутренние изменения комплекса в эту сторону уже были устой­чивее противоположных, то же относится и к вновь присоединя­ющимся. Не только не возникает противодействия им, но ход со­единения водорода с кислородом ускоряется, обусловливая еще прибавочное нагревание смеси, как раз обратное тому, что бывает с системами равновесия. При температурах, близких к обычным, это опять-таки ничтожная, неуловимая величина; но чем выше температура, тем более она возрастает; на уровне около 600°С она становится так велика, что ускоряет процесс до степени взрыва, в свою очередь дающего нагревание в несколько тысяч градусов[9]. Этот взрыв, однако, не есть нечто новое тектологически — он продолжение того процесса, кото­рый шел раньше; изменен только его темп.

Таково «ложное равновесие». Под этими словами подразу­меваются, следовательно, два факта: во-первых, равновесие непрерывно нарушается в определенную сторону, комплекс находится в процессе преобразования; во-вторых, мы непосред­ственно не замечаем этого благодаря несовершенству наших ор­ганов восприятия и методов наблюдения. Когда же мы говорим об «истинном равновесии», то и это отнюдь не означает точного, полного равновесия, а только тенденцию к нему в двух­сторонних колебаниях. Если кристалл соли находится в ее насы­щенном растворе, то это «истинное равновесие», совершенно так же, как вода и лед при 0 °С. Между растворением частиц кристалла и осаждением других из раствора, между таянием льда и замерзанием воды нет точного равенства во всякий дан­ный момент; но если сейчас перевешивает первый процесс и уклонение от уровня получается в одну сторону, то в следующий момент преобладание перейдет ко второму, колебание направится в другую сторону и т. д.

Различие между системами равновесия в этом смысле и нeуравновешенными, а особенно системами «ложного равновесия», имеет огромное значение не только в познании, но и в практике жизни. Чрезвычайно важно распознавать тот и другой тип, чтобы правильно предвидеть возможности, существующие для той или иной системы. И особенно это важно там, где закон равновесия до сих пор точно не формулировался и планомерно не применялся, в области сложнейших явлений — жизненных, психических и социальных. Проиллюстрируем это на при­мерах.

Если травоядной греческой черепахе нанести легкий удар, она немедленно прячет в коробку свою голову, лапы и хвост. Этим уменьшается доступная враждебным силам поверхность, а, следовательно, и их непосредственное действие, что вполне соответствует закону Ле-Шателье. Значит, по характеру своих психодвигательных реакций организм черепахи соответствует системам равновесия, тяготеет к устойчивости, консервативен. От черепахи нельзя поэтому ожидать, например, прогрессив­ного развития деятельности, активного завоевания окружаю­щей среды, к чему способны организмы иного типа.

Предположим, что черепаха вела бы себя иначе — на внеш­нее насилие отвечала бы ударами лап и челюстей. По обычному словоупотреблению, это и есть настоящее «противодействие»; но было бы величайшей ошибкой видеть в этом соответствие закону равновесия: это нечто прямо противоположное, и тут надо с самого начала устранить словесную путаницу. Своими «противодействующими» встречными движениями черепаха непосредственно не уменьшала бы, а увеличивала бы ту раз­ность механических напряжений, от которой зависит прямой ре­зультат внешнего воздействия; только по дальнейшим послед­ствиям — уничтожению или бегству врага — это могло бы пове­сти к реальному уменьшению вредной активности; но могло бы также — когда враг сильнее — повести и к обратному эффекту. На этом основана известная грубая западня на медведя — брев­но, привешенное так, чтобы оно мешало ему добраться до улья и могло качаться, как маятник. Медведь отталкивает его один раз за другим и получает удары все большей силы, т. е. возраста­ние механической разности сохраняется и накопляется. В зако­не Ле-Шателье дело идет о внутренних процессах системы, о внутренних перегруппировках ее активностей, непосредственно уменьшающих результат внешнего воздействия. Акты борьбы против причины или носителя этого воздействия отнюдь не таковы; и потому они указывают на то, что дело идет нео систе­ме равновесия.

Как упоминалось, человеческий организм на усиленное нагревание извне отвечает усиленным испарением воды, при ко­тором теплота поглощается; это вполне согласно с принципом Ле-Шателье и показывает, что в прямых термических отноше­ниях со своей средой организм является системой равновесия. Но часто одновременно с такой реакцией выступают иные, нервно-мускульные: человек начинает обмахиваться веером, открывать окна и т. д. Эти движения сопровождаются перехо­дом химической и механической энергии в тепловую, а следова­тельно, сами по себе, т. е. взятые независимо от дальнейших результатов, ведут к еще большему нагреванию тканей тела. Отсюда ясно, что по отношению к двигательным нервно-мускульным активностям организм есть комплекс неуравнове­шенный. И надо помнить, что вообще одна и та же система всег­да может со стороны одних входящих в ее состав активностей быть системой равновесия, со стороны других — явно или скры­то неуравновешенной. Так, тот же гремучий газ, химически представляющий при низких температурах ложное равновесие, в смысле механическом может рассматриваться как находя­щийся в истинном равновесии: на повышенное давление он реагирует увеличением плотности, и наоборот.

Система равновесия может слагаться из комплексов не­уравновешенных, и наоборот. Например, черепаха по типу реак­ций — система равновесия; но каждая отдельная двигательная реакция есть нарушение равновесия нервно-мускульного аппа­рата. Неуравновешенный организм состоит из тяготеющих обычно к равновесию клеток и т.п. Да, в сущности, и вообще тен­денция равновесия возникает из бесчисленных частичных на­рушений равновесия.

 

 

 

 

А. К. Гастев ВОПРОСЫНОРМИРОВАНИЯ[10] (ТЕЗИСЫ ДОКЛАДА)