22)Саморазвивающиеся системы и их свойства

Самоорганизация и классическая термодинамика.

Самоорганизация – тенденция развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи.(в широком смысле) Самоорганизация – спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. (в узком смысле)

Самоорганизующиеся системы должны быть

неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия

открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне.

В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания – синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах. (Пригожин, Хакен, Шрёдингер)

Выделяют закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Поведение закрытых систем рассматривается в рамках классической термодинамики. Центральным понятием термодинамики является энтропия – функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от неё, к термодинамической температуре системы.

По отношению к закрытым системам были сформулированы два из трех начал термодинамики:

1)Первое начало – закон сохранения энергии. Середина XIX в. Майер, Джоуль, Гельмгольц.

2)Второе начало – закон возрастания энтропии(в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной( если в системе протекают обратимые равновесные процессы) , либо возрастает (при неравновесных процессах).

По мере развития естествознания были выявлены противоречия между результатами некоторых природных явлений и выводами, сделанными в рамках классической термодинамики. Классическая термодинамика не могла объяснить возникновение таких сложных систем, как галактики, Солнечная система, растительный и животный мир Земли.

Свойства самоорганизующихся систем.

Поведение систем, рассматриваемых синергетикой, описывается с помощью нелинейных уравнений – уравнений второго и более порядка, поскольку самоорганизующиеся системы крайне сложны(нелинейны).

В нелинейных системах возможны ситуации, когда совместные действия двух причин вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия этих причин по отдельности.

Важным следствием нелинейности поведения самоорганизующихся систем является пороговый характер многих процессов в таких системах, т.е. при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком.

При взаимодействии открытых систем с внешней средой происходит диссипация энергии (переход энергии в тепловую) Диссипативные системы – системы, в которых энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного, в конечном счете теплового(хаотического) движения.

Параметры процессов происходящих в самоорганизующихся системах.

Пример: Упорядочение водяного пара при его охлаждении извне. При высоких температурах молекулы пара движутся свободно. При понижении температуры образуется капля жидкости, в которой расстояние между молекулами в среднем сохраняется. Наконец, при ещё более низких температурах, в точке замерзания, вода превращается в кристаллы льда – молекулы расположены в определенном порядке. Такие переходы из одного агрегатного состояния в другое происходят весьма резко. Хотя молекулы каждый раз одни и те же, макроскопические свойства трёх фаз существенно различны. И совершенно очевидно, что различаются их механические, оптические, электрические и тепловые свойства.

Таким образом, во многих системах различного характера (физических, химических, геологических, биологических и т.д.) активно проходят процессы самоорганизации и возникновения более сложных структур. Эти системы должны быть открытыми (обмениваться веществом и энергией с окружающей средой) и существенно неравновесными ( находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия).