8. Концепция самоорганизации природных систем.

8.1. Методы описания многочастичных систем.

Термодинамика

Макроскопический

(феноменологический)

подход

Распределения

Молекулярная

физика

Микроскопический

(статистический)

подход

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ

Макропараметры:

давление Р

объем V

температура Т

энтропия S

Микропараметры:

импульс р

энергия 

длина пробега L

Уравнения состояния,

1 и 2 начала термодинамики

Термодинамический метод

Термодинамика - теория описания процессов в молекулярной системе с помощью макропараметров.

Классическая термодинамика изучает только равновесные состояния и процессы.

Термодинамическое равновесие – состояние системы, когда во всех ее частях значения макропараметров одинаковы.

Связь макропараметров системы называется уравнением состояния.

Уравнение состояния идеального газа Менделеева –Клапейрона.

Классическая термодинамика представляет собой теорию динамического типа.

Статистический метод

Молекулярная физика - теория описания процессов в молекулярной системе на основе их молекулярного строения.

Макросостояние системы определяется статистическими распределениями микропараметров.

Распределение Максвелла

молекул газа по их скоростям:

Молекулярная физика представляет собой теорию статистического типа.

8.2. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия.

Первое начало термодинамики:

Теплота, сообщаемая системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение этой системой работы.

Второе начало термодинамики:

Формулировка Р. Клаузиуса: не существует процесса, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Формулировка У. Кельвина и М. Планка: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.

Обратимые и необратимые процессы

Обратимым называется процесс, который может быть проведен в прямом и обратном направлении без остаточных изменений в окружающей среде.

Большинство процессов в природе необратимы и связаны с диссипацией (рассеянием) энергии.

Мера необратимого рассеяния энергии – энтропия.

В процессах важно знать изменение энтропии

Энтропия и вероятность

Энтропия системы связана с числом способов реализации макросостояния системы (вероятностью реализации состояния).

Формула Больцмана:

W – вероятность состояния системы.

Энтропия является мерой неупорядочности (хаотичности) состояния системы.

Изменение энтропии в системах

Неизолированная

Термодинамическая система

Изолированная

S  0

S < 0

S > 0

S = 0

Обратимые

процессы

Необратимые

процессы

Формулировка второго начала термодинамики: энтропия изолированной системы не может убывать S ≥ 0.

Все изолированные системы эволюционируют в направлении от упорядоченности к хаотичности.

Возникновение хаоса обусловлено нелинейностью и неустойчивостью систем.

Второе начало термодинамики вступило в противоречие с теорией эволюции!

8.3. Открытые термодинамические системы

Эволюционная парадигма: В процессе развития происходит переход к новым, более упорядоченным формам.

Второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных равновесных систем.

Природные объекты – открытые неравновесные системы.

В таких системах возникает неоднородное распределение термодинамических параметров и происходит обмен энергией, веществом, информацией и т.д.

Процессы в открытых неравновесных системах исследует неравновесная термодинамика.

Градиент – физическая величина, характеризующая степень неоднородности распределения какой-либо величины.

Наличие градиента вызывает появление потока другой физической величины (градиент температуры – поток тепла…).

Различают слабонеравновесные и сильнонеравновесные открытые системы.

В слабонеравновесной системе ( близкой к термодинамическому равновесию) поток переносимой величины линейно связан с соответствующим градиентом.

В сильнонеравновесной системе потоки являются нелинейными функциями соответствующих градиентов.

Явления переноса

Это необратимые процессы в слабонеравновесных системах, стремящиеся привести систему в состояние равновесия.

Теплопроводность Диффузия

8.4. Концепция самоорганизации в сильнонеравновесных открытых системах.

И. Пригожин, бельгийский физик (1917-2003 г.): теория неравновесной термодинамики в сильнонеравновесных системах.

Самоорганизация - процесс образования в системе упорядоченной структуры без внешнего организующего воздействия.

Флуктуация - случайное, локальное отклонение параметров от их среднего значения в данной точке.

Поведение различных систем.

сильнонеравновесная

слабонеравновесная

Процессы

переноса

Неизолированная

(открытая) система

Изолированная

система

Образование новой

упорядоченной

структуры

(самоорганизация)

Возвращение

системы в

равновесное

состояние

(релаксация)

Флуктуация

Структуры, возникающие как результат самоорганизации в сильнонеравновесных системах, получили название диссипативных структур.

Диссипативные структуры:

Диссипация – переход части энергии упорядоченного движения в энергию беспорядка.

• существуют за счет больших потоков энергии извне

• способствуют рассеянию энергии.

Б ифуркационная диаграмма открытой термодинамической системы.

Точка бифуркации - состояние, при котором в сильнонеравновесной системе происходит переход к новому типу поведения.

В этой точке у системы появляется возможность выбора.

Выбор системы носит вероятностный характер, что делает эволюцию системы необратимой.

В поведении открытой сильнонеравновесной системы сочетаются случайность и определенность.

Хаос и порядок – две стороны одной медали, работает принцип дополнительности Бора.

8.5. Самоорганизация и энтропия.

Шутка физиков: Термодинамика - старая властная тетка, которую все недолюбливают, но которая всегда права.

В открытых системах за счет подпитки энергии от внешней среды могут возникать диссипативные структуры с меньшей энтропией.

Открытые системы как бы структурируют энергию из внешней среды:

- упорядоченная часть энергии остается в системе,

- неупорядоченную энергию система «сбрасывает», возвращая в природу.

Производство энтропии:

Производство энтропии в неравновесных системах

S_V  0

S_V > 0

Сильнонеравновесная

самоорганизующаяся система

S_V(внеш) < 0

Изолированная

система

S_V(внеш) = 0

S_V(внутр.) > 0

Принцип производства минимума энтропии Пригожина - Гленсдорфа: в точках бифуркации система идет по пути, отвечающему меньшему значению производства энтропии.

8.6. Самоорганизация и развитие эволюционных представлений.

Характерные признаки самоорганизации:

1. Система является сложной, т.е. состоит из большого числа элементов.

2. Система является открытой.

3.  Неустойчивость и нелинейность свойств системы при увеличении внешнего воздействия.

4. Быстрая перестройка системы при согласованном поведении ее элементов.

5. Конкуренция состояний системы.

6. Уменьшение энтропии системы в результате обмена с внешней средой.

Эволюционно-синергетическая парадигма

Герман Хакен, немецкий физик, (род. 1927 г) – основатель синергетики – науки, изучающей самоорганизацию в сложных, сильнонеравновесных системах любой природы.

Эволюционно-синергетическая парадигма: социальные, физико-химические и биологические объекты подчиняются в своем развитии одним и тем же фундаментальным законам.

Любой объект проходит три стадии:

1. Рождение (самоорганизация).

2. Развитие (смена упорядоченных форм).

3. Распад (переход к неупорядоченному равновесному состоянию).