Відкриті системи й нерівновага термодинаміки

Очевидно, що з надходженням нової енергії або речовини неравноважність у системі зростає. В остаточному підсумку колишній взаємозв'язок між елементами системи, що визначає її структуру, руйнується. Між елементами системи виникають нові зв'язки, які приводять до кооперативних процесів, тобто до колективного поводження її елементів. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах.

Наочною ілюстрацією процесів самоорганізації може служити робота лазера, за допомогою якого можна одержувати потужні оптичні випромінювання. Не вдаючись у деталі його функціонування, відзначимо, що хаотичні коливальні рухи тридцятилітніх його часток завдяки надходженню енергії ззовні, при достатній його «накачуванні» приводяться в погоджений рух. Вони починають коливатися в однаковій фазі й внаслідок цього потужність лазерного випромінювання багаторазово збільшується. Цей приклад свідчить, що в результаті взаємодії із середовищем за рахунок надходження додаткової енергії колишні випадкові коливання елементів такої системи, як лазер, перетворюються в когерентний, погоджений колективний рух. На цій основі виникають кооперативні процеси й відбувається самоорганізація системи.

Вивчаючи процеси самоорганізації, що відбуваються в лазері, німецький фізик Герман Хакен (р. 1927) назвав новий напрямок досліджень сінергетикою, що в перекладі з давньогрецького означає спільну дію, або взаємодія, і добре передає зміст і ціль нового підходу до вивчення явищ.

Іншим прикладом може служити самоорганізація, що виникає в хімічних реакціях. У них вона пов'язана з надходженням ззовні нових реагентів, тобто речовин, що забезпечують продовження реакції, з одного боку, і виведення в навколишнє середовище продуктів реакції, з іншої сторони. Зовні самоорганізація проявляється тут у появі в рідкому середовищі концентричних хвиль або в періодичній зміні цвіту розчину, наприклад, із синього на червоний і назад («хімічні годинники»). Ці реакції вперше були експериментально вивчені вітчизняними вченими Б. Белоусовим і А. Жаботинським. На їхній експериментальній основі бельгійськими вченими на чолі І. Р. Пригожиним (росіянином по походженню, р. 1917 р.) була побудована теоретична модель, названа брюсселятором (по ім'ю столиці Бельгії - Брюсселя). Ця модель лягла в основу досліджень нової термодинаміки, що часто називають нерівновагою, або нелінійної. Як відзначає И. Р. Пригожин:

Перехід від термодинаміки (вірніше термостатики) рівноважних станів до термодинаміки нерівновагих процесів, безсумнівно, знаменує прогрес у розвитку ряду галузей науки.

Про рівновагу й нерівновагу систем уже говорилося. Пояснимо, що розуміється під нелінійністю в термодинаміку й теорії самоорганізації взагалі. Відмітна риса моделей, що описують відкриті системи й процеси самоорганізації, полягає в тому, що в них використовуються нелінійні математичні рівняння, у які входять змінні в ступені вище першої (лінійної). Хоча лінійні рівняння й дотепер часто застосовуються у фізику й точному природознавстві в цілому, вони виявляються неадекватними для опису відкритих систем або ж при досить інтенсивних впливах на системи. Саме з подібними системами й процесами має справа нова термодинаміка й тому її нерідко називають нелінійною.

Подібні статті

Антигени, їх властивості та будова
Антиген - функціональне поняття. Ним може бути будь-яка речовина, що здатна викликати імунну відповідь. Потужними антигенами є білки. Це зрозуміло, оскільки більшість процесів імунного розпізнання - це білок-білкові взаємодії. Білковими ...

Іонні механізми потенціалу дії. Методи фіксації
Всі процеси життєдіяльності організмів супроводжуються появою в клітинах і тканинах електрорушійних сил. Електричні явища відіграють велику роль у найважливіших фізіологічних процесах: збудженні клітин і проведенні збудження по клітинам. ...