9.6. Самоорганизация систем.

Мир макроскопических объектов можно разделить на два класса: изо-лированные системы и открытые системы. В изолированных системах правит бал термодинамика. Изолированные системы рано или поздно приходят в состояние термодинамического равновесия. В состоянии термодинамическо-го равновесия система забывает свою предысторию. Она существует, подчи-няясь только законам сохранения суммарная энергия равна константе, им-пульс и масса сохраняют свое значение.

Основные законы термодинамики были рассмотрены выше.

Отметим два обстоятельства.

1. Выводы классической равновесной термодинамики о неравновесных состояниях не включает в себя временной фактор.

2. В основе термодинамического описания неравновесной системы лежит принцип локального равновесия.

В соответствии с принципом локального равновесия процессы, возму-щающие равновесие, менее интенсивны, чем процессы, формирующие рав-новесие. В этом случае с определенной степенью точности можно говорить о локальном равновесии, или, другими словами о термодинамическом равно-весии в бесконечно малом объеме. В термодинамике необратимых процессов вводятся функции соответствия, которые зависят от тех же переменных, от которых они зависят, когда система находится в состоянии термодинамического равновесия. Термодинамические функции, однако, стали функциями координат и времени. Принцип локального равновесия не может быть выведен из законов термодинамики и потому постулируется, однако справедливость этой гипотезы оправдывается совпадением теории и эксперимента.

Для широкого класса необратимых явлений в широком диапазоне экспериментальных условий было выяснено, что потоки (поток тепла, поток массы) являются линейными функциями термодинамических сил (градиент температуры, градиент концентрации и т. п.).

Например, закон Фурье, в соответствии с которым поток теплоты пропорционален градиенту температуры, или закон Фика, по которому поток диффузии пропорционален градиенту концентрации.

С помощью соотношения (9.5.8) можно по известным характеристи-кам одного процесса предсказать характеристики обратного процесса.

В термодинамике необратимых процессов принято считать, что скорость приращения энтропии, или, что то же, производство энтропии можно пред-ставить в виде

(9.6.1)

Самым существенным в термодинамике необратимых процессов является факт самоорганизации в открытых системах.

Процесс самоорганизации является общим свойством открытых систем.

Как ни парадоксально звучит, но источником упорядоченности откры-тых систем служит неравновесность системы. Формирование самоорганизу-ющихся структур происходит вдали от равновесия.

В природе известно много самоорганизующихся систем. В животном мире в качестве примеров можно привести полосатую шкуру зебры, выверенное строительство шестиугольных сот у пчел, индивидуальный и неповторимый рисунок кожи на пальцах человека, типы снежинок. Могут существовать временные структуры, например, временная корреляция численности зайцев и питающихся ими рысей. Этот процесс хотя и колеблется во времени, однако пики роста численности обеих популяций строго коррелированны во времени. Этот известный пример носит в биологии название «хищник-жертва».

Можно привести примеры из неживой природы. Это известные ячейки Бенара в жидкости, возникающие при определенном градиенте температуры. В этом случае появляются конвективные потоки в жидкости, обладающие характерной структурой в виде шестиугольных ячеек призмы. В центральной области призмы жидкость поднимается вверх, а вблизи вертикальных граней опускается вниз (рис. 9.6.1).

В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном – от границ к центру. Конвективные ячейки являются высоко реализованной структурой, в которой происходит отдача энтропии. Формирование структур Бенара объясняется тем, что при малых градиентах температуры появляется конвективный поток, увеличивается пропускная способность слоя жидкости передавать тепло, появляются флуктуации конвективного движения, которые усиливаются и достигают макроскопичес-ких масштабов. Возникает устойчивая структура Бенара, в которой обеспечивается максимальная скорость теплового потока. Следует отметить, что в открытой системе возникает новый молекулярный порядок, стабили-зируемый за счет обмена энергией с внешней средой.

В ажно подчеркнуть, что при этом не нарушается второе начало термодинамики (9.2.6). Стационарная неравновесная система, имеющая диссипативную структуру, потребляет отрицательную энтропию (см. формулы (9.2.8) —(9.2.11)).

В открытых системах образуются диссипативные структуры, для которых характерен обмен веществом и энергией с внешней средой. Под диссипативными структурами будем понимать устойчивые пространст-венно неоднородные структуры, возникающие в результате развития неустойчивостей в однородной неравновесной среде. Стационарная нерав-новесная система, имеющая диссипативную структуру, должна потреблять отрицательную энтропию. При этом закон возрастания энтропии не нарушается. К тому же потоки энергии и вещества создают флуктуационный и структурный порядок в открытых системах.

Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Самоорганизованная структура возникает из флуктуации, а пороговый характер самоорганизации связан с переходом одного устойчивого состояния системы в другое. Новая структура является результатом неустойчивости и возникает из флуктуации. В докритическом режиме флуктуации обычно затухают. При преодолении порога и выхода на сверхкритический режим флуктуации усиливаются, достигают макроскопического уровня и форми-руют новый устойчивый режим. Так пороговый характер самоорганизации связан с переходом одного устойчивого стационарного состояния в другое. Самоорганизация в системе связана с формированием структуры более сложной, чем первоначальная.

Изучением общих закономерностей в процессах самоорганизации в системах различной природы занимается синергетика.

Синергетика {от греч. sinergeticos – совместный, согласованно действующий) – направление в науке, связанное с изучением закономернос-тей пространственно-временного упорядочения в различного типа систе-мах, а также использование исследованных закономерностей в разных областях науки и техники.

Для синергетики характерно использование результатов исследований одних объектов при анализе других