Диссипативные структуры, теорема Пригожина

Диссипативная система (или диссипативная структура, от лат. dissipatio — «рассеиваю, разрушаю») — это открытая система, которая формируется вдали от термодинамического равновесия.

Это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой.

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

ψ = Τ/V•dS/dt ≥ 0,

где Τ – абсолютная температура; dS/dt – скорость продукции энтропии;

V – объем системы.

Положительное значение диссипативной функции как критерий возможности сопряжения потоков означает, что в любом преобразователе энергии входная мощность должна превышать выходную.

Например, водоросли растут за счёт сопряжения химических реакций в живой клетке с энергией радиоактивных реакций на Солнце.

Значения диссипативной функции в расчёте на единицу массы примерно равны у плывущей бактерии и летящего самолёта.

Диссипативная функция клеток человека в 10 тысяч раз больше Солнца в раcчёте на единицу массы.

Теорема Пригожина

В стационарном состоянии производство энтропии внутри термодинамической системы при неизменных внешних параметрах является минимальным и постоянным. Если система не находится в стационарном состоянии, то оно будет изменяться до тех пор, пока скорость производства энтропии, или, иначе, диссипативная функция системы не примет наименьшего значения.

Теорема сформулирована И. Р. Пригожиным (1955) и согласно этой теореме продуцирование энтропии в открытых системах падает до тех пор, пока достигается минимальная величина, которая остается постоянной, но больше нуля. Минимальное состояние продукции энтропии достигается в результате неравномерного распределения вещества в системе.