ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ
термодинамические
системы, к-рые обмениваются с окружающей средой веществом (а также
энергией и импульсом). К наиболее важному типу О. с. относятся хим. системы,
в к-рых непрерывно протекают хим. реакции, происходит поступление реагирующих
веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологич. 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.
Наиболее простыми являются свойства О.
с. вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от
термодинамич. равновесия мало и её состояние изменяется медленно, 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 систем в равновесном состоянии, характеризуется
энтропией.
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 термодинамич. 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 наз. производством энтропии.
Согласно второму началу 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, к-рая должна при этом отводиться от
системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей
хим. 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 термодинамич. 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 термодинамич. равновесия и характеризующихся
определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой),
к-рую наз. 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: баланса скоростей хим. 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 реакции под
воздействием либо её продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся
при реакции. Подобно тому, как в колебательном контуре с положительной
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 пространственным неоднородным
распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью
на макроскопич. уровне). Характер структур определяется конкретным типом
хим. реакций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного
характера.
Теория О. с. важна для понимания физико-хим.
процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм представляет собой
устойчивую саморегулирующуюся О. с., обладающую 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, открывает новые
возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на
ранних этапах возникновения жизни.
Теория О. с. является частным случаем 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 являются термодинамическими, но описываются
системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым
для физико-хим. и био-логич. 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; Г рост С., М а з
у р П., Неравновесная термодинамика, пер. с англ., М., 1964; Франк-Каменецкий
Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967;
Гленедорф П., Пригожий И., Термодинамическая теория структуры, устойчивости
и флуктуации, пер. с англ., М., 1973; П а н ч е н к о в Г. М., Л е б е
д е в В. П., Химическая кинетика и катализ, М., 1961; П а с ы н с к и и
А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; Волькенштейн М. В., Биология и физика,
"Успехи физических наук", 1973, т. 109, в. Э; Пригожий И., Н и к
о л и с Ж., Биологический порядок, структура и неустойчивости, там же;
Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул,
пер. с англ., М., 1973. Д. Н. Зубарев.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я