11. Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды.

Образование структур в жидкости, химически реагирующих системах и живой природе имеет много общего.В ходе неравновесного процесса из пространственно однородного состояния самопроизвольно (спонтанно) возникает пространственная или временная структура. По терминологии И. Пригожина, такие структуры называются диссипативными.

Диссипативные структуры образуются в открытых системах, то есть в системах, способных обмениваться веществом и энергией с внешней средой. Подчеркнем, что в системах, где возможно формирование структур, второе начало не нарушается. Оно лишь проявляется в более общем виде, уточняя условия структурирования системы. А именно, стационарная неравновесная система, имеющая диссипативную структуру, должна потреблять отрицательную энтропию. Э. Шрёдингер красочно охарактеризовал эту ситуацию как "добывание упорядоченности из окружающей среды". С законом возрастания энтропии здесь все в порядке. Если диссипативные структуры возникают как очаги внутри большой изолированной системы, то суммарная энтропия будет возрастать. Более того, в расширенной системе, включающей диссипативные структуры, скорость возникновения энтропии выше за счет интенсивной генерации энтропии в структурных очагах.

Диссипативность проявляется в различных формах. И в способности “забывать” детали некоторых внешних воздействий, И в факторе “естественного отбора” среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития. И в факторе когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающем в них некий общий темп развития и др.

Понятие диссипативности тесно связано с понятием о “параметрах порядка”. Самоорганизующиеся системы - это обычно очень сложные открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее

функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым “подстраиваются” остальные. Такие основные степени свободы системы получили название “параметров порядка”.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной термодинамики. Существование диссипативных структур "легализовало" существование жизни. И. Пригожин пишет: "Жизнь больше не выглядит как островок сопротивления второму началу термодинамики или как деятельность каких-то демонов Максвелла. Она возникает теперь как следствие общих законов физики с присущей ей специфической кинетикой химических реакций, протекающих в далеких от равновесия условиях. Благодаря этим специальным кинетическим законам потоки энергии и вещества создают флуктуационный и структурный порядок в открытых системах".

[Термодинамика вчера, сегодня, завтра. Часть 2. Неравновесная термодинамика (ОСИПОВ А.И. , 1999), ФИЗИКА]

12. Термодинамика Земли как открытой системы.

Установлено, что способность взаимодействовать определяется резонансными свойствами космического потока и объекта Земли. Нерезонансная передача энергии вообще невозможна.

Установлено, что поверхностная оболочка Земли способна превращать резонансные потоки энергии в потенциальную форму, преобразовывать и накапливать свободную энергию в процессе эволюции живого вещества. Имеет место антидиссипативный волновой динамический процесс, доминирующий в явлениях космопланетарной эволюции явлений жизни.

Установлено, что внутренние структуры Земли служат энергетическими сетями, выводящими «отработанную» энергию в Космос. Имеет место диссипативный процесс рассеивания энергии в околоземном пространстве, доминирующий в явлениях неживой природы.

Но куда пропадает эта энергия? И как она начинает снова функционировать? Эти вопросы являются двумя сторонами единого процесса взаимодействия явлений живой и неживой природы. Имеют место два сопряженных, взаимодополняющих процесса диссипации и антидиссипации, которые протекают под контролем полной мощности космических потоков, «потребляемых» Землей.

Установлено, что под этим контролем осуществляется глобальный кругооборот, обеспечивающий сохранение полной мощности Земли. Однако в этом сохранении активное участие принимает как живое, так и неживое вещество.

Функциональное назначение живого — обеспечить компенсацию потерь «потребленной» энергии, имеющих место в результате диссипации, и обеспечить ее уменьшение «всегда и всюду». В силу этого живое вещество выполняет функцию положительной обратной связи в глобальном процессе самоорганизации и развития Земли в пространстве и времени.

В ходе этого процесса сформированы все пространственные формы Земли и все ВРЕМЕННЫЕ свойства, имеющие волновую регулярность ЖИВОГО и НЕЖИВОГО как космопланетарного явлений.

13. Обоснуйте, почему живые организмы являются неравновесными открытыми системами.

Живые организмы являются неравновесными системами, т.к. требуют постоянного притока энергии, т.к. часть энергии рассеивается на поддержание сложности. Так же они являются открытыми системами, т.к. обмениваются энергией, веществом и информацией.

14. - Нелинейность - дифференциальные уравнения, описывающие явления, имеют несколько решений.

- Точка бифуркации - скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, под воздействием конструктивных случайностей. Переломная точка в развитии системы. [Методичка]

15. - Флуктуация – состояние крайней неравновесности системы под действием внутренних и внешних воздействий. [Лекции]

- Самоорганизация - механизм самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения упорядоченных структур. То есть пространственно-временные структуры не накладываются, а возникают изнутри системы при переходе ее на новый уровень. При наличии нескольких вариантов путей развития системы, в соответствии с решением нелинейных дифференциальных уравнений состояния, у системы есть приоритетные пути развития, зависящие от свойств надсистем, так называемые аттракторы. [Методичка]

16. Пригожин и Стенгерс называют хаотическими все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно детерминистично, т.е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий. Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике.

[Концепции современного естествознания. Учеб. пособие для вузов/ А.А.Горелов,- М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2004 – 350с.]

17. Аттрактор близко к понятию «цель» - некоторое, термодинамически выгодное состояние системы, которое притягивает ее развитие. Если система попадает в конус влияния аттрактора, то эволюционирует к нему. [Лекции.]

18. Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара. Реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны.

Итак, в качестве примера физической системы, упорядоченность которой есть следствие внешнего воздействия, рассмотрим лазер.

При самом грубом описании лазер - это некая стеклянная трубка, в которую поступает свет от некогерентного источника (обычной лампы), а выходит из нее узконаправленный когерентный световой пучок, при этом выделяется некоторое количества тепла.

При малой мощности накачки эти электромагнитные волны, которые испускает лазер, некоррелированные, и излучение подобно излучению обычной лампы. Такое некогерентное излучение - это шум, хаос. При повышении внешнего воздействия в виде накачки до порогового критического значения некогерентный шум преобразуется в чистый тон, то есть испускает число синусоидальная волна - отдельные атомы ведут себя строго коррелированным образом, самоорганизуются.

Лампа  Лазер

Хаос  Порядок

Шум  Когерентное излучение

В сверхкритической области режим обычной лампы оказывается не стабильным, а лазерный режим стабильным:

Рис. 1. Излучение лазера в до критической и

сверхкритической области.

Классическим примером возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара. В 1900 году была опубликована статья Х. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты (рис. 2).

Рис. 2. Ячейки Бенара:

а) - общий вид структуры

б) - отдельная ячейка

Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (или другой вязкой жидкости) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейки Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается. Возникает разность температур Т между нижней и верхней поверхностью Т = Т₂ - Т₁  0 .Для малых до критических разностей Т  Т_kp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности. При достижении температуры подогрева критического значения Т₂ = Т_kp (соответственно Т = Т_kp) начинается конвекция. При достижении критического значения параметра Т, рождается, таким образом, пространственная диссипативная структура. При равновесии температуры равны Т₂ =Т₁ , Т = 0 . При кратковременном подогреве (подводе тепла) нижней плоскости, то есть при кратковременном внешнем возмущении температура быстро станет однородной и равной ее первоначальному значению. Возмущение затухает, а состояние - асимптотически устойчиво. При длительном, но до критическом подогреве (Т  Т_kp) в системе снова установится простое и единственное состояние, в котором происходит перенос к верхней поверхности и передачи его во внешнюю среду (теплопроводность), рис. 2., участок а. Отличие этого состояния от равновесного состояния состоит в том, что температура, плотность, давление станут неоднородными. Они будут приблизительно линейно изменяться от теплой области к холодной.

Рис. 3. Поток тепла в тонком слое жидкости.

Увеличение разности температур Т, то есть дальнейшее отклонение системы от равновесия, приводит к тому, что состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым участок б на рисунке 3. Это состояние сменяется устойчивым состоянием (участок в на рис. 3) , характеризующимся образованием ячеек. При больших разностях температур покоящаяся жидкость не обеспечивает большой перенос тепла, жидкость вынуждена двигаться, причем кооперативным коллективным согласованном образом.

Для того чтобы экспериментально изучить структуры, достаточно иметь сковороду, немного масла и какой ни будь мелкий порошок, чтобы было заметно движение жидкости. Нальем в сковороду масло с размешанным в нем порошком и будем подогревать ее снизу.

Если дно сковороды плоское и нагреваем мы ее равномерно, то можно считать, что у дна и на поверхности поддерживаются постоянные температуры, снизу - Т1 , сверху - Т2 . Пока разность температуры Т = Т1 - Т2 невелика, частички порошка неподвижны, а следовательно, неподвижна и жидкость.

Будем плавно увеличивать температуру Т1 . С ростом разности температур до значения Тc наблюдается все та же картина, но когда Т  Тc , вся среда разбивается на правильные шестигранные ячейки (см. Рис. 2) в центре каждой из которых жидкость движется вверх, по кроям вниз. Если взять другую сковороду, то можно убедиться, что величина возникающих ячеек практически не зависит от ее формы и размеров. Этот замечательный опыт впервые был проделан Бенаром в начале нашего века , а сами ячейки получили название ячеек Бенара .

Элементарное качественное объяснения причины движения жидкости заключается в следующем. Из-за теплового расширения жидкость расслаивается, и в более нижнем слое плотность жидкости 1 меньше, чем в верхнем 2 . Возникает инверсный градиент плотности, направленный противоположно силе тяжести. Если выделить элементарный объем V , который немного смещается вверх в следствии возмущения, то в соседнем слое архимедова сила станет больше силы тяжести, так как 2  1 . В верхней части малый объем, смещаясь вниз, попадает в область пониженной плотности, и архимедова сила будет меньше силы тяжести FA < FT , возникает нисходящее движение жидкости. Направление движения нисходящего и восходящего потоков в данной ячейке случайно, движение же потоков в соседних ячейках , после выбора направлений в данной ячейке детерминировано . Полный поток энтропии через границы системы отрицателен , то есть система отдает энтропию , причем в стационарном состоянии отдает столько , сколько энтропии производится внутри системы (за счет потерь на трение).

dSe q q T1 - T2

• =  -  = q   < 0

dt T2 T1 T1  T2

Образование именно сотовой ячеистой структуры объясняется минимальными затратами энергии в системе на создание именно такой формы пространственной структуры. При этом в центральной части ячейки жидкость движется вверх, а на ее периферии - вниз.

Дальнейшее сверхкритическое нагревание жидкости приводит к разрушению пространственной структуры - возникает хаотический турбулентный режим.

К этому вопросу прикладывается наглядная иллюстрация возникновения тепловой конвекции в жидкости.

Рис. 4. Иллюстрация возникновения тепловой конвекции в жидкости.

1. Николис Г. , Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979 г.

2. Курдюшов С.П. , Малинецкий Г.Г. Синергетика - теория самоорганизации. Идеи , методы перспективы. - М.: Знание, 1983 г.

3. Эйген М. , Шустер П. Гиперцикл . Принципы самоорганизации макромолекул . - М.: Мир , 1982 г.

19. Почему явление самоорганизации возможно только в открытых, неравновесных системах? Сущность самоорганизации. Выделите фазы, постройте схему процесса развития открытых неравновесных систем с возникновением новой упорядоченности.

Самоорганизация - механизм самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения упорядоченных структур. То есть пространственно-временные структуры не накладываются, а возникают изнутри системы при переходе ее на новый уровень. При наличии нескольких вариантов путей развития системы, в соответствии с решением нелинейных дифференциальных уравнений состояния, у системы есть приоритетные пути развития, зависящие от свойств надсистем, так называемые аттракторы.

Здесь нужно отметить, что явление самоорганизации возможно только в открытых, неравновесных системах, так как: при наличии неустойчивости изменяется роль внешних воздействий. В определенных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значительным непредсказуемым последствиям (раскрытие неустойчивости). В открытых системах, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени. В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенных структур, их преобразования и усложнения. Неравновесные открытые системы способны объединять линейные и нелинейные качества.

^{Случайность}

Гомеостаз

Бифуркация

^{Случайность}

Гомеостаз

Бифуркация

Рис. 5. Процесс самоорганизации.

В развитии таких систем можно выделить фазы:

1. Гомеостаз – поддержание внутренней среды, в это время система ведет себя линейно, воздействия внешних и внутренних факторов – случайности.

2. Со временем внутренние и внешние воздействия накапливаются и приводят систему к крайней неравномерности – флуктуации → связи рвутся, система теряет целостность, становится чувствительной к внешним воздействиям.

3. Какая-нибудь случайность способна перейти на уровень конструктивной и способна изменить систему – точка бифуркации. Нельзя предсказать, что будет, система не помнит своего прошлого.

При самоорганизации происходят внутренние взаимодействия элементов системы, которые ведут к усложнению, возникновению большего порядка →уменьшение энтропии, увеличение свободной энергии системы.

Лекции.

20. Почему теория самоорганизации применима в разных дисциплинах (физика, химия, биология, экономика, политика, психология …)

В принципе даже в термодинамическом равновесии можно указать примеры самоорганизации, как результаты коллективного поведения. Это, например, все фазовые переходы в физических системах, такие как переход жидкость - газ, ферромагнитный переход или возникновение сверхпроводимости. В неравновесном состоянии можно назвать примеры высокой организации в гидродинамике, в лазерах различных типов, в физике твердого тела - осциллятор Ганна, туннельные диоды, рост кристаллов.

Животный мир демонстрирует множество высокоупорядоченных структур и великолепно функционирующих . Организм как целое непрерывно получает потоки энергии ( солнечная энергия , например , у растений ) и веществ ( питательных ) и выделяет в окружающую среду отходы жизнедеятельности . Живой организм - это система открытая . Живые системы при этом функционируют определенно в дали от равновесия . В биологических системах , процессы самоорганизации позволяют биологическим системам трансформировать энергию с молекулярного уровня на макроскопический . Такие процессы , например , проявляются в мышечном сокращении , приводящим к всевозможным движениям , в образовании заряда у электрических рыб , в распознавании образов , речи и в других процессах в живых системах. Сложнейшие биологические системы являются одним из главных объектов исследования в синергетике. Возможность полного объяснения особенностей биологических систем , например , их эволюции с помощью понятий открытых термодинамических систем и синергетики в настоящее время окончательно неясна . Однако можно указать несколько примеров явной связи между понятийным и математическим аппаратом открытых систем и биологической упорядоченностью.

Социальная система представляет собой определенное целостное образование , где основными элементами являются люди , их нормы и связи . Как целое система образует новое качество , которое не сводится к сумме качеств ее элементов . В этом наблюдается некоторая аналогия с изменением свойств при переходе от малого к очень большому числу частиц в статической физике - переход от динамических к статическим закономерностям . При этом весьма очевидно , что всякие аналогии с физико-химическими и биологическими системами весьма условны , поэтому проводить аналогию между человеком и молекулой или даже нечто подобное было бы не допустимым заблуждением . Однако , понятийный и математический аппарат нелинейной неравновесной термодинамики и синергетики оказываются полезными в описании и анализе элементов самоорганизации в человеческом обществе.

Социальная самоорганизация - одно из проявлений спонтанных или вынужденных процессов в обществе , направленная на упорядочение жизни социальной системы , на большее саморегулирование. Социальная система является системой открытой способная , даже вынужденная обмениваться с внешним миром информацией , веществом , энергией. Социальная самоорганизация возникает как результат целенаправленных индивидуальных действий ее составляющих.

Если рассматривать общественную жизнь людей, то второе начало является основой инфляции. Явление инфляции – закономерное явление. Имеется, по крайней мере, две социальные системы: социалистическая и капиталистическая. При социализме вы приходите в магазин и покупаете товар, например, булки хлеба. Платите 20 коп. за булку. Приходите через месяц – платите 20 коп. за булку, приходите через год – платите 20 коп…. В формуле (2) следует оставить знак равенства, то есть в этом случае формула (2) представится в виде:

Как было сказано выше, знак равенства ставится только для идеальной системы. Такие системы в природе не существуют. Таким образом, социалистическая система – идеальная система. Сама собой она существовать не может, необходимы усилия для ее поддержания.

При капитализме вы приходите покупать те же булки хлеба. В первый месяц цена булки - 3 руб., через месяц цена булки - 4 руб., через два месяц – 5 руб….

Здесь знак неравенства. Это есть реальная система, процесс совершается самопроизвольно, без насилия.

[Курдюшов С.П. , Малинецкий Г.Г. Синергетика - теория самоорганизации. Идеи , методы перспективы. - М.: Знание, 1983 г.]