Открытые системы. Синергетика как новое научное направление Элементы нелинейной неравновесной термодинамики

В этом разделе физики рассматриваются в основном открытые системы.

Открытая система обменивается с окружающей средой энергией, массой, информацией.

Термодинамическая система – емкость с идеальным газом. Такая система характеризуется макро- и микропараметрами.

Макропараметры характеризуют систему в целом; нельзя отнести к отдельному элементу давление (P), и температуру (T).

Микропараметры характеризуют отдельные элементы системы (например m₀ – масса; v_i – скорость; E_i – энергия отдельных молекул).

Система может находиться в равновесном или неравновесном состояниях.

Равновесное состояние – состояние системы, когда все макропараметры во всех точках одинаковы. При этом состоянии ее элементы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Неравновесное состояние – состояние, когда в одной или нескольких областях системы макропараметры отличаются от макропараметров других областей. При этом в неравновесной системе возможно возникновение направленного кооперативного действия множества элементов системы.

1, 3, 5 – неустойчивые положения; 2, 4 – устойчивые положения

Состояние системы называется стационарным, если ее параметры не изменяются с течением времени.

Равновесие называется устойчивым, если при небольшом отклонении системы от положения равновесия, возникают силы, возвращающие систему в равновесное положение.

Устойчивое положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии.

Равновесие называется неустойчивым, если при отклонении системы от этого состояния возникают силы, увеличивающие это отклонение.

Всеобщий принцип для всех систем: всякая система стремится к минимуму потенциальной энергии (устойчивое состояние равновесия).

Равновесным называется процесс, в результате которого система переходит в новое состояние через ряд последовательных равновесных состояний.

В природе медленно протекающие процессы могут рассматриваться как равновесные.

Все равновесные процессы являются обратимыми.

При обратимом процессе термодинамическая система возвращается в исходное состояние так, что в окружающей ее среде не остается никаких изменений.

Круговой процесс (ряд процессов), в результате которого система возвращается в исходное состояние называется циклом.

Как цикл, так и процесс может быть прямым и обратным.

Цикл Карно (обратимый цикл):

Если процесс протекает по часовой стрелке (1, 2, 3, 4), то цикл – прямой, если против (4, 3, 2, 1) – обратный, который состоит из тех же процессов, протекающих в обратном порядке (см. рисунок).

Отличие обратимого и обратного циклов состоит в том, что при обратном цикле не накладывается запрет на изменения в окружающей среде.

К обратимым процессам могут быть отнесены (с некоторым приближением) все механические явления, которые протекают с очень малым трением (колебания маятника, подпрыгивание упругого мяча и т.д.).

Примерами необратимых процессов являются процессы переноса – в них возникают элементы самоорганизации – направленного кооперативного действия множества элементов системы.

Процессы переноса (необратимые):

1. Диффузия – перенос массы или концентрации вещества. Возникает, если в одной области системы большее давление или концентрация, чем в другой. Перенос происходит из мест более высокого давления или концентрации в места менее высокого давления или концентрации.

2. Внутреннее трение – перенос импульса. Возникает при движении двух соприкасающихся слоев жидкости или газа с разными скоростями. При этом слой жидкости или газа, который движется с большей скоростью – тормозится, а с меньшей скоростью – ускоряется. Между слоями жидкости возникает трение.

3. Теплопроводность – перенос тепла или энергии. Возникает при разных температурах в разных областях системы.

Характеристики всех трех видов переноса:

возникают при неравновесном состоянии системы;

наряду с хаотическим движением существует направленное движение множества элементов системы;

все процессы переноса заканчиваются, если система переходит в равновесное состояние. Следовательно, процессы переноса переводят систему в равновесное состояние;

все процессы переноса являются необратимыми.

Выводы. Если закрытая система предоставлена самой себе, то она обязательно придет в равновесное состояние благодаря явлениям переноса и будет оставаться в таком положении до тех пор, пока внешняя среда не выведет эту систему из положения равновесия. Поэтому состояние равновесия является наиболее вероятным состоянием системы неживой природы. (Закрытая система всегда придет в состояние равновесия).

Состояние равновесия является симметричным. Этому состоянию соответствует беспорядок.

Состояние равновесия, беспорядок, симметричное состояние

Направленное движение молекул, порядок, асимметричное состояние

При возникновении направленного движения молекул возникает упорядоченное состояние.

Тому и другому состоянию соответствует величина, которая его характеризует.

Беспорядок характеризуется энтропией (S) – характеристика беспорядка. Понятие энтропии ввел Клаузиус в 1854 году.

Характеристика порядка – негэнтропия (введена Э. Шредингером).

Если энтропия возросла, то в такой системе увеличился беспорядок. И наоборот.

В обществе, где увеличивается порядок, энтропия должна убывать, а негэнтропия расти.