Особенности открытых систем

1. Открытые системы, в первую очередь биологические, прекращают свое функционирование в состоянии равновесия. Критерием направления самопроизвольных изменений в изолированной системе служит увеличение энтропии S, а конечным состоянием есть состояние равновесия.

2. В термодинамическом отношении открытые системы в процессе своего изменения проходят через ряд неравновесных состояний, что в свою очередь, также сопровождается соответствующими изменениями термодинамических переменных.

3. Открытым системам присущи неравновесные состояния, параметры и свойства которых есть функции времени.

4. Изменение энтропии в открытой системе может происходить либо за счет возникновения энтропии в самой системе вследствие внутренних, необратимых изменений , либо за счет процессов обмена системы с внешней средой .

Изменение энтропии в системе, которая не находится в равновесии со своим окружением, содержит два вклада: «обменный» и «внутренний»; последний создается необратимыми процессами и потому неизбежно положительный.

Если внутри системы протекают обратимые изменения, то они не сопровождаются возникновением энтропии и .

.Для необратимых изменений .

Для изолированных систем .

—классическая формулировка второго закона термодинамики для изолированных систем.

Если на каком-либо участке системы протекают различные, необратимые процессы, то величина описывает общее приращение энтропии, являющееся следствием взаимодействия этих необратимых процессов друг с другом.

Продифференцируем уравнение (2) по времени:

Скорость изменения энтропии системы равняется сумме скорости обмена энтропией между системой и окружающей средой и скорости возникновения энтропии внутри системы.

Член , учитывающий процессы обмена системы со средой может быть как положительным, так и отрицательным, так что при , общая энтропия выделенной системы может как возрастать, так и убывать.

связано с увеличением энтропии системы в результате обмена веществом и энергией с внешней средой.

соответствует тому, что отток энтропии из системы во внешнюю среду превышает приток энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной.

Возможно 3 случая при

1) или , но

2) и

3) и .

Случай соответствует установлению в системе стационарного состояния, при котором продуцирование энтропии в системе компенсируется оттоком энтропии во внешнюю среду.

Скорость возрастания энтропии системы + скорость оттока энтропии из системы = скорости возникновения энтропии внутри системы.

Рост и развитие организмов сопровождается усложнением их организации, и с точки зрения классической термодинамики выглядит как самопроизвольное уменьшение энтропии, что явно противоречит второму закону термодинамики.

На самом деле развитие организмов, сопровождающееся общим уменьшением энтропии происходит при условии:

за счет того, что в других участках внешней среды идут сопряженные процессы с увеличением энтропии.

Общий энергообмен земных организмов можно упрощенно представить как образование в фотосинтезе сложных молекул углеводов из и с последующей деградацией продуктов фотосинтеза в процессе дыхания. Именно этот энергообмен и обеспечивает в современных условиях существование и развитие отдельных организмов – звеньев в кругообороте энергии, так и в жизни на Земле в целом. С этой точки зрения уменьшение энтропии живых систем в процессе их жизнедеятельности обусловлено в конечном итоге поглощением квантов света фотосинтезирующими организмами, что с избытком компенсируется образованием энтропии в ядерных реакциях на солнце. Этот принцип относится и к отдельным организмам, для которых поступление извне питательных веществ, несущих приток «отрицательной» энтропии, всегда сопряжено с продуцированием положительной энтропии при их образовании в других участках внешней среды, так что суммарное изменение энтропии “организм + внешняя среда “ всегда положительно. Точно так же уменьшение энтропии в части клеток, где идет биохимический синтез, происходит за счет избыточного увеличения энтропии в других частях организма или среды.

Приток отрицательной энтропии извне не следует непосредственно связывать лишь с увеличением организованности животных структур и с потерей «организованности» поглощаемых питательных веществ. Именно деградация последних и ведет к освобождению необходимой организму свободной энергии. Таким образом, поток отрицательной энтропии необходим для компенсации процесса возникновения положительной энтропии и убыли свободной энергии в клетке в результате самопроизвольной реакции метаболизма. В сущности, речь идет о круговороте и превращениях свободной энергии, за счет которой поддерживается функционирование живых структур.