23. Понятия закрытой и открытой системы. Переход от равновесной термодинамики классической науки к неравновесной термодинамике неклассической науки.

Система – это конечная (имеет некоторое количество элементов) совокупность элементов, определенным образом связанных между собой. Благодаря конечности числа элементов систему можно выделить. Система соотносительна со средой.

Свойства системы:

1. Упорядоченность (она выражается во взаимосвязи).

2. Целостность (связанна с конечностью элементов).

3. Иерархичность (элементы системы распространяются по уровням).

4. Неаддетивность – свойства системы не есть сумма свойств системы.

Проблема сложности систем – критерии сложности зависят от свойств системы, сложность не регламентируется кол-вом элементов. Система взаимодействует со средой через свои элементы, внешние отношения влияют на внутренние. Горизонтальные и вертикальные отношения – чем больше горизонтальных и вертикальных систем, тем сложнее система.

Открытая система - система, обменивающаяся с окружающей средой веществом и/или энергией, в силу этого она также неравновесная, т.е. далека от состояния равновесия. Открытая система всегда динамическая (в силу её открытости): в ней происходят непрерывно те или иные изменения, и, естественно она сама подвержена изменениям.

Закрытая система – не взаимодействует с окружающей средой (противоположность открытой).

Системный подход – это базовый подход во всей науке, носит общепрактическое применение.

Термодинамика – наука о тепловых явлениях. Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел. Такие тела называются макросистемами. Тепловые св-ва макросистем определяются термодинамическими параметрами: температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы). Эти параметры называют функциями состояния системы.

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающих во времени и имеющих свою историю. Время не отражает внутренние изменения, происходящие в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный. Механические процессы обратимы: уравнения механики, в которые входит время t, симметричны по отношению к этому параметру, т.е. возможна замена t на –t.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Термодинамика исследовала физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Здесь самый очевидный факт тот, что распространение тепла – это процесс необратимый. Например, в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы.

Законы классической термодинамики:

1. (закон сохранения энергии) Если в системе производится тепло Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + W

2. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

( нельзя произвести работу за счет охлаждения озера или моря при установившейся температуре).

Немецкий физик Рудольф Клаузиус использовал для формулировки второго закона понятие энтропии – изменение порядка в системе. Когда энтропия в системе возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. ТО ЕСТЬ:

Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.

Это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них хаоса и беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени весьма в своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больше временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Очевидно, что такое понятие о времени и особенно об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, лежавшей в основе теории Дарвина. В то время как в дарвинской теории происхождение новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и осложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась и дезорганизацией системы. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х годов 20 века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на вселенную предпринял один из основателей этой теории – Клаузиус, выдвинувший два постулата:

1. энергия вселенной всегда постоянна.

2. энтропия вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо принять, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а, следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во вселенной наступит тепловая смерть, и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине 20 века было еще мало научных аргументов для опровержения Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина рассматривает неравновесность открытых систем как причину порядка. Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать порядок из хаоса, она обязательно должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными. Весь мир, доступный человеку, состоит именно из таких систем. Поэтому в окружающем мире повсюду обнаруживается эволюция, разнообразие форм, неустойчивость.

В ходе эволюционного этапа развития диссипативная система теряет устойчивость и приходит в состояние сильной неравновесности. Это происходит при критических значениях управляющих параметров.

Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы в одно из возможных устойчивых состояний, качественно отличающихся от исходного. Это и есть акт самоорганизации системы. В состоянии перехода из одного состояния в другое, элементы системы ведут себя взаимосвязано, хотя до этого пребывали в хаотическом движении.

Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких устойчивых состояний. Выбор системой варианта устойчивого состояния носит случайный характер. Этот переход носит скачкообразный, одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.