«Открытые системы»

термодинамические системы (См. Термодинамическая система), которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному типу О. с. относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов (См. Термодинамика неравновесных процессов), физической и химической кинетики.

Наиболее простыми являются свойства О. с. вблизи состояния термодинамического равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамического равновесия мало и её состояние изменяется медленно, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, химическими потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и систем в равновесном состоянии, характеризуется энтропией (См. Энтропия). Энтропия О. с. в неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии.

Отклонения термодинамических параметров от их равновесных значений (термодинамические силы) вызывают в системе потоки энергии и вещества (см. Переноса явления). Происходящие процессы переноса приводят к росту энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени называют производством энтропии (См. Производство энтропии).

Согласно второму началу термодинамики (См. Второе начало термодинамики), в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному максимальному значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы, в О. с. возможны стационарные состояния с постоянным производством энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей химических реакций и переноса реагирующих веществ и энергии. При таком «проточном равновесии» производство энтропии в О. с. минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О. с. такую же роль, какую играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О с. в этом состоянии удерживается постоянной, т.к. её производство компенсируется отводом от системы, но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму, как в изолированной системе.

Наиболее интересные свойства О. с. выявляются при нелинейных процессах. При таких процессах в О. с. возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, т.к. её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образований структур исследуются на основе уравнений кинетики химической (См. Кинетика химическая); баланса скоростей химических реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакции. Накопление в О. с. активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная Обратная связь: ускорение реакций под воздействием либо её продукта (химический автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому, как в колебательном контуре с положительной обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в химической О. с. с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся химические реакции. Автокаталитические реакции могут привести к неустойчивости химических процессов в однородной среде и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным пространственным неоднородным распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью на макроскопическом уровне). Характер структур определяется конкретным типом химических реакций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного характера.

Теория О. с. важна для понимания физико-химических процессов, лежащих в основе жизни, т.к. живой организм представляет собой устойчивую саморегулирующуюся О. с., обладающую высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопическом уровне. Подход к живым системам как к О. с., в которых протекают нелинейные химические реакции, открывает новые возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на ранних этапах возникновения жизни.

Теория О. с. является частным случаем общей теории систем, к которым относятся, например, рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико-химических и биологических О. с. Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования.

Лит.: Шредингер Э., Что такое жизнь? С точки зрения физика, пер. с англ., 2 изд., М., 1972; Гроот С., Мазур П., Неравновесная термодинамика, пер. с англ., М., 1964; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967; Гленсдорф П., Пригожин И., Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций, пер. с англ., М., 1973; Панченков Г. М., Лебедев В. П., Химическая кинетика и катализ, М., 1961; Пасынский А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; Волькенштейн М. В., Биология и физика, «Успехи физических наук», 1973, т. 109, в. 3; Пригожин И., Николис Ж., Биологический порядок, структура и неустойчивости, там же; Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. с англ., М., 1973.

Д. Н. Зубарев.

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ - системы, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К открытым системам относятся, напр., химическая и биологическая системы (в т. ч. живые организмы), в которых непрерывно протекают химические реакции за счет поступающих извне веществ, а продукты реакций отводятся. Открытые системы могут находиться в стационарных состояниях, далеких от равновесных состояний.

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, системы, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К открытым системам относятся, например, химическая и биологическая системы (в том числе живые организмы), в которых непрерывно протекают химические реакции за счёт поступающих извне веществ, а продукты реакции отводятся. Открытые системы могут находиться в стационарных состояниях, далёких от равновесных.

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ

термодинамические системы, к-рые обмениваются с окружающей средой в-вом, а также энергией и импульсом. К наиболее важному типу О. с. относятся хим. системы, в к-рых непрерывно протекают хим. реакции (извне поступают реагирующие в-ва, а продукты реакций отводятся). Биол. системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые хим. системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физ. и хим. кинетики.

Св-ва О. с. описываются наиб. просто вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамич. равновесия мало, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: темп-рой, хим. потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и системы в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О. с. в неравновесном (локально-неравновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии (см. ЛОКАЛЬНОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ).

Отклонения термодинамич. параметров от их равновесных значений (т е р м о д и н а м и ч е с к и е с и л ы) вызывают в системе потоки энергии и в-ва (см. ПЕРЕНОСА ЯВЛЕНИЯ). Процессы переноса приводят к росту энтропии системы (производству энтропии).

Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному макс. значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы в О. с. возможны стационарные состояния с пост. энтропией при пост. производстве энтропии, к-рая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей хим. реакций и переноса реагирующих в-в и энергии. При таком «проточном равновесии» производство энтропии в О. с. минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О. с. такую же роль, какую играет термодинамич. равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О. с. в этом состоянии хотя и удерживается постоянной (производство энтропии компенсируется её отводом), но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму (в отличие от замкнутой изолированной системы).

Наиболее интересные св-ва О. с. выявляются при нелинейных процессах, когда в О. с. возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамич. равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), к-рую наз. д и с с и п а т и в н о й, т. к. её существование требует непрерывного обмена в-вом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образования структур исследуются на основе ур-ний хим. кинетики: баланса скоростей хим. реакций в системе со скоростями подачи реагирующих в-в и отвода продуктов реакций. Накопление в О. с. активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь; ускорение реакции под воздействием либо её продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому как в колебат. контуре с положит. обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в хим. О. с. с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции. Автокаталитич. реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным в пр-ве неоднородным распределением концентраций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного хар-ра. Теория О. с. представляет особый интерес для понимания физико-хим. процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм— это устойчивая саморегулирующая О. с., обладающая высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне. Подход к живым системам, как к О. с., в к-рых протекают нелинейные хим. реакции, создаёт новые возможности для исследования процессов мол. самоорганизации на ранних этапах появления жизни.

Теория О. с.— одно из направлений общей теории систем, к к-рым относятся, напр., рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы хотя и не явл. термодинамическими, но описываются системой ур-ний баланса, в общем случае нелинейных и сходных с аналогичными ур-ниями для физико-хим. и биол. О. с. Для всех подобных систем существуют общие проблемы регулирования и оптим. функционирования.

откры́тые систе́мы

системы, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К открытым системам относятся, например, химические и биологические системы (в том числе живые организмы), в которых непрерывно протекают химические реакции за счёт поступающих извне веществ, а продукты реакций отводятся. Открытые системы могут находиться в стационарных состояниях, далёких от равновесных состояний.

* * *

ОТКРЫ́ТЫЕ СИСТЕ́МЫ, системы, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К открытым системам относятся, напр., химическая и биологическая системы (в т. ч. живые организмы), в которых непрерывно протекают химические реакции за счет поступающих извне веществ, а продукты реакций отводятся. Открытые системы могут находиться в стационарных состояниях, далеких от равновесных состояний.

системы, способные к свободному обмену веществом с окружающей средой, к которым могут быть отнесены физические (термодинамические), химические, биологические системы, в том числе живые организмы, в которых наблюдается метаболизм. Состояния систем могут быть далекими от равновесных.

системы, к-рые могут обмениваться с окружающей средой в-вом (а также энергией и импульсом). К О. с. относятся, напр., хим. и биол. системы (в т.ч. живые организмы), в к-рых непрерывно протекают хим. реакции за счёт поступающих извне в-в, а продукты реакций отводятся. О. с. могут находиться в стационарных состояниях, далёких от равновесных состояний.