ТЕРМОДИНАМИКА ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Вопросы, изложенные выше, относились к закрытым или изолированным системам, которые находятся в состоянии равновесия.

Реальные же процессы, протекающие в открытых системах, являются неравновесными.

Для живых (открытых) систем особую роль играет стационарное состояние.

Вообще говоря, живой организм это развивающаяся система, которая не находится в стационарном состоянии, но в каком-либо не слишком большом интервале времени принимают состояние биологической системы за стационарное.

Несмотря на то, что в стационарном состоянии необратимые процессы, протекающие в системе (диффузия и теплопроводность) увеличивают энтропию, энтропия системы не изменяется.

Представим изменение энтропии системы:

△S = △S_i + △S_e

△S_i - изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами в системе,

△S_e - изменение энтропии, вызванное взаимодействием системы с внешними телами (потоки, проходящие через систему).

Необратимость процессов приводит к △S_i > 0, стационарность состояния к △S = 0, следовательно, △S_e = △S - △S_i < 0 или △S_e = - △S_i . Это означает, что энтропия в продуктах, поступающих в систему, меньше энтропии в продуктах, выходящих из системы.

В связи с этим И. Пригожин сформулировал принцип минимума производства энтропии для стационарного состояния открытых систем:

Скорость возникновения энтропии вследствие необратимы процессов имеет минимальное значение и положительное, при данных внешних неизменных условиях т.е .

Согласно принципу Пригожина в системе при стационарном состоянии внутренние необратимые процессы, протекают так, что ежесекундный прирост энтропии минимален. Это значит, что система за счёт внутренних необратимых процессов не способна выйти из стационарного состояния.

При изменении же внешних условий (изменение температуры, давления, влажности, и т.д) система переходит из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние, т.е адаптируется. Если организм при изменении внешних условий не способен сохранить стационарное состояние, выходит из стационарного состояния, то это приводит к его гибели.

Большой вклад в неравновесную термодинамику внёс Онзагер. Он доказал, что открытые системы обладают специфическими особенностями: сопряжением потоков и возникновением стационарных состояний. В данной теории описывается одновременное протекание различных взаимосвязанных стационарных процессов. Экспериментальной основой этой теории являются феноменологические законы, которые устанавливают линейную зависимость между потоками и силами их вызывающими. Допустим, что в системе имеются два потока: поток тепла (Φ₁) и диффузионный поток массы (Φ₂) и две обобщающие силы – разность температур X₁ и разность концентраций X₂. Согласно Онзагеру, в открытой системе каждый поток зависит от всех присутствующих сил, и наоборот, то есть

Φ₁ = L₁₁X₁ + L₁₂X₂

Φ₂ = L₂₁X₁ + L₂₂ X₂,

где L₁₂ и др.- коэффициенты пропорциональности между потоком 1 и силой 2 и т.д.

Эти уравнения называются феноменологическими уравнениями Онзагера. Они указывают на зависимость входных и выходных потоков, как от сопряженных, так и от несопряженных им сил.

В природе существует ситуация, когда потоки, идущие с повышением энергии, самостоятельно идти не могут, но могут протекать при действии каких-либо сил. Это явление называется сопряжением потоков. Критерием возможности сопряжения потоков в системе является положительное значение диссипативной функции:

 

где Τ – абсолютная температура;

dS/dt – скорость продукции энтропии;

V – объем системы.

Диссипативная функция является мерой рассеяния энергии системы в тепло. Она определяет скорость возрастания энтропии в системе, в которой протекают необратимые процессы. Чем выше величина диссипативной функции, тем быстрее энергия всех видов превращается в тепловую. Кроме этого диссипативная функция определяет возможность самопроизвольного протекания процесса: при >0 процесс возможен, при <0 – нет.

В большинстве биологических процессов происходит преобразование химической энергии в осмотическую, электрическую и механическую. Во всех этих процессах происходит диссипация части химической энергии в тепло. Для биологических процессов эффективность сопряжения составляет 80-90%, то есть всего 10-20% энергии переходит в тепло.