Диссипативные и антидиссипативные процессы
В соответствии с законом сохранения мощности диссипативные, антидиссипативные и переходные процессы описываются единым уравнением, но с указанием ограничений для каждого типа процессов. [29].
Все три типа описываются одним уравнением (9.21), но с разными граничными условиями:
,
где
,
при
для
первого типа систем (диссипативные
процессы),
для
второго типа систем (антидиссипативные
процессы),
(9.22)
для
третьего типа систем (переходные
процессы).
Уравнение
с ограничениями для первого
типа можно охарактеризовать как
обобщенную запись принципа
диссипации
для открытых
неравновесных систем.
При этом, если
имеет место классическая формулировка
Клаузиуса для закрытых систем. При
сущность диссипативности, тенденция к
нарастанию энтропии отображается
неравенством
именно это неравенство и переносит
сущность второго начала на открытую
систему.
Уравнение
с ограничениями для второго
типа можно рассматривать как обобщенную
запись принципа
устойчивой неравновесности
Подолинского—Бауэра— Вернадского.
Обеспечивая выполнение соотношения
,
устойчиво неравновесные системы-процессы
как бы «переворачивают» ситуацию в том
смысле, что доминирует
антидиссипативный процесс
— устойчивый
рост свободной энергии — способность
системы совершать внешнюю работу растет
во времени, а мощность потерь убывает.
Необходимо
специально подчеркнуть, что второе
начало термодинамики в устойчиво
неравновесных системах отнюдь не
нарушается (на это обращал внимание еще
Э.Бауэр), так как для него остается
незыблемым фундаментальное неравенство
.
Речь идет о
разных классах систем-процессов,
принципиальное различие которых
проявляется в смене знака направления
их закономерных изменений во времени
и пространстве.
Второе начало управляет движением одного класса систем-процессов, для которых доминирующим является понятие «рост диссипации, энтропии, мощности потерь энергии», ведущих к дезорганизации и смерти системы, уменьшению пространственно-временной размерности системы. К этому классу систем относятся неживое, косное вещество — все процессы и явления неживой природы.
Принцип устойчивой неравновесности управляет принципиально иным классом систем-процессов, для которых доминирующим является понятие «рост свободной энергии, рост способности совершать внешнюю работу, рост полезной мощности», обеспечивающие самоорганизацию процессов развития системы и увеличение пространственно-временной размерности. К нему относятся живое вещество, все процессы и явления Жизни.
Принципиальное различие диссипативных и антидиссипативных процессов заключается в их противоположном направлении движения.
9. Механизм устойчивой неравновесности
Из закона сохранения мощности следует, что любая антидиссипативная система как физический процесс является истоком и стоком свободной энергии (рис. 9.15).
Рис. 9.15. Минимальная порождающая схема устойчивой неравновесности
Выполняя
внешнюю работу Р,
система через
получает потребляемый поток N,
который она использует в течение
с определенным КПД
.
Отношение N
к Р
есть мера неэквивалентного обмена
,
характеризующая способность системы
к воспроизводству. В первом приближении
условия устойчивой неравновесности
могут быть записаны в виде скалярных
уравнений:
(9.23)
Решением этих уравнений является выражение:
,
,
где
— эффективность полной мощности N,
а
(период цикла)
;
переход на новый цикл означает увеличение
скорости оборачиваемости, то есть
увеличение частоты. Поэтому полученное
выражение может быть представлено как
волновой процесс:
,
,
(9.24)
где
— амплитуда
;
— частота
.
Отсюда следуют условия устойчивой неравновесности:
1) необходимым условием является выполнение фундаментального неравенства: N > G;
2) достаточным условием устойчивой неравновесности является ускорение роста свободной энергии за счет повышения эффективности полной мощности, то есть повышения скорости ее оборачиваемости с уменьшением мощности потерь на каждом цикле процесса.
В соответствии с уравнениями устойчивой неравновесности каждый цикл обладает определенными свойствами:
-
Существует начало цикла
и его окончание
.
Имеет место временной разрыв между
началом и концом цикла
.
Его обратная величина есть частота
цикла
. -
В течение этого периода происходит прирост мощности. При этом период сокращается, а частота увеличивается. При переходе на третий цикл имеет место ситуация ускорения изменения мощности, нелинейного увеличения частоты. И так далее. Налицо нелинейный волновой динамический процесс развития. Схематически его можно представить как раскручивающуюся спираль (рис. 9.16).
Рис. 9.16
Этот процесс можно представить и как разложение величины полезной мощности P(t) в ряд по степеням времени как независимой переменной.
,
где
— начальная величина мощности
;
— изменение полезной мощности за
;
— скорость изменения полезной мощности
за
;
— ускорение изменения полезной мощности
за
.
Процесс является хроноцелостным, если прошлое, настоящее и будущее связаны между собой, образуя целостность процесса сохранения устойчивой неравновесности во все времена.
Этот целостный процесс есть устойчивое развитие, если имеет место сохранение неубывающего темпа роста полезной мощности во все времена:
.
Возможно и инверсное определение.
Развитие является устойчивым, если имеет место сохранение убывающего изменения мощности потерь во все времена:
.
Следствием этих определений является понятие неустойчивого развития.
Развитие является неустойчивым, если оно не является хроноцелостным. Здесь имеет место разрыв связей между прошлым, настоящим и будущим. В силу этого разрушается целостность процесса и возникает перманентно-целостный процесс. Здесь имеет место ситуация, когда в течение одного периода развитие сохраняется, а в течение другого — не сохраняется.
Следует обратить особое внимание, что процесс развития, в том числе и устойчивого развития, имеет две стороны: качественную и количественную. Качественно, как и в общем случае, величина полезной мощности не изменяется, сохраняется ее размерность, но при этом ее численное значение изменяется.
Имеют место не только качественные, но и количественные изменения величины полезной мощности. Образуется спиралевидное движение активной части полной мощности. Такому типу движения подчиняется и пассивная часть полной мощности. Однако инверсность полезной мощности и мощности потерь означает их взаимную компенсацию на протяжении всего процесса развития. Эта компенсация может происходить в том и только в том случае, если их движение по спирали происходит в разных направлениях.
Спираль мощности потерь раскручивается по часовой стрелке, а спираль полезной мощности — против часовой стрелки. Это можно представить в виде двух ортогональных спиралей (рис. 9.17).
Рис. 9.17
Инверсность
P
и G
может быть симметричной, если P
+ G
= 0, и проективной, если P
+ G
0.
В случае симметричной инверсии происходит «замыкание» концов спиралей, образуя торообразное движение, подобное движению «идеальной» точки (рис. 9.18).
Рис. 9.18
Однако такая ситуация является лишь частным случаем открытых систем. В общем случае для открытых систем имеет место проективная инверсия. Здесь возможны две ситуации, соответствующие условиям протекания диссипативных и антидиссипативных процессов.
При доминировании диссипативных процессов происходит уменьшение полезной мощности, движение тора идет в направлении увеличения потерь.
При доминировании антидиссипативных процессов происходит нарастание скорости вращения тора, увеличивается его полезная мощность и в пределе может сложиться критическая ситуация с возможным переходом на более высокий пространственно-временной уровень.
На математическом языке эти переходы означают переход от одной координатной системы к другой с помощью ТЕНЗОРА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КООРДИНАТ, СОХРАНЯЮЩЕГО ИНВАРИАНТ МОЩНОСТИ.