Министерство образования Российской Федерации

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур)

Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)

Контрольная работа №3 по дисциплине "Концепции современного естествознания"

Т.Я. Дубнищева

1. Как ведут себя макросистемы вдали от равновесия? Поясните принцип локального равновесия.

Положению равновесия с молекулярно-кинетической точки зрения отвечает состояние максимального хаоса в изолированной системе. По законам термодинамики, являющимися обобщением опыта, такая система вернется в положение равновесия; при удалении от него ее состояние становится все более неустойчивым, и даже малые изменения какого-либо параметра могут перевести систему в новое состояние. Внутренняя релаксация противостоит процессам, нарушающим равновесие. В случае разреженных газов – это процессы столкновений. Если возмущающие процессы менее интенсивны, чем релаксационные, то говорят о локальном равновесии, существующем в малом объеме. При этом не обязательно, чтобы в других частях системы состояние было близко к равновесию.

Понятие локального равновесия вводят при медленном изменении внешнего воздействия и для времен, больших характерного времени элементарного релаксационного процесса, формирующего равновесие. Эти условия – из статистического рассмотрения процессов. Принцип локального равновесия ограничивает число систем, доступных термодинамическому рассмотрению. Есть также влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который в формулировке Вейля гласит: "Если условия, однозначно определяющие какой либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию". Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разных размеренностей не могут быть связаны друг с другом. Так, скалярная величина (химическое сродство) не может вызывать векторный поток (теплопроводность).

2. Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем?

Самоорганизующаяся система, самоприспосабливающаяся система, в которой приспособление к изменяющимся условиям или оптимизация процессов управления достигается изменением структуры системы управления — включением или выключением отдельных подсистем, качественным изменением алгоритмов управления, связей между подсистемами и схемы их подчинения и т. д.

Суммарное уменьшение энтропии в открытых системах при определенных условиях за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествующего неупорядоченного однородного состояния, возникают и могут возрасти до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут переходить во все более упорядоченные. Эти структуры образуются за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление получило название самоорганизации. При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами (от лат. cлова dissipatio – "разгонять, рассеивать"). Считается, что эти структуры летучие и возникают при рассеянии свободной энергии.

Состояние текущего равновесия в системе должно поддерживаться извне массой и энергией, компенсирующим потери на диссипацию. Такие системы называют открытыми. Для описания процессов самоорганизации уже нельзя использовать представления линейной термодинамики необратимых процессов, линейными соотношениями Онсагера между обобщенными силами и потоками, так как структуры формируются вдали от равновесия. Под действием крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур. Таким системам нельзя навязать пути развития, обычно они имеют несколько возможностей развития. В точке бифуркации и происходит выбор пути, в качестве созидающего начала здесь выступает хаос. При этом в качестве "спускового крючка" может вступить мельчайшее возмущение, флуктуация, тогда как выбор пути определяет макроскопические результаты. Процессы самоорганизации описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Брюссельская школа, возглавляемая Пригожиным, исследовала способность открытых систем к самоорганизации и выделила неравновесность в качестве основного источника упорядоченности.

В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества, т.е. регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных и хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникнуть упорядоченные состояния. Упорядоченность может быть временная, пространственная и пространственно-временная.

Системы с обратной связью наиболее важны среди сложных систем. Система определенным образом реагирует на внешнее воздействие: может его усилить – положительная обратная связь, может свести его к нулю – гомеопатическая обратная связь, а может ослабить его – отрицательная обратная связь. Механизм обратной связи сам меняет систему. Ели он повышает степень ее организованности системы, говорят о самоорганизованности. Поведение системы может быть случайным или целесообразным. Целесообразным поведением обладают системы с отрицательной обратной связью. Для обозначения машин с внутренне целесообразной реакцией на внешнее воздействие создатель кибернетики Н.Винер ввел термин "севромеханизмы". Обратная связь – одно из основных понятий кибернетики.