Открытые системы

термодинамические системы (См. Термодинамическая система), которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному типу О. С. Относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов (См. Термодинамика неравновесных процессов), физической и химической кинетики. Наиболее простыми являются свойства О. С. Вблизи состояния термодинамического равновесия.

Если отклонение О. С. От термодинамического равновесия мало и её состояние изменяется медленно, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное. Температурой, химическими потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. С., как и систем в равновесном состоянии, характеризуется энтропией (См. Энтропия). Энтропия О. С. В неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии. Отклонения термодинамических параметров от их равновесных значений (термодинамические силы) вызывают в системе потоки энергии и вещества (см.

Переноса явления). Происходящие процессы переноса приводят к росту энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени называют производством энтропии (См. Производство энтропии). Согласно второму началу термодинамики (См. Второе начало термодинамики), в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному максимальному значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы, в О. С. Возможны стационарные состояния с постоянным производством энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей химических реакций и переноса реагирующих веществ и энергии. При таком «проточном равновесии» производство энтропии в О.

С. Минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О. С. Такую же роль, какую играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О с. В этом состоянии удерживается постоянной, т.к. Её производство компенсируется отводом от системы, но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму, как в изолированной системе. Наиболее интересные свойства О. С. Выявляются при нелинейных процессах. При таких процессах в О. С. Возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, т.к.

Её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. С. И возможность образований структур исследуются на основе уравнений кинетики химической (См. Кинетика химическая). Баланса скоростей химических реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакции. Накопление в О. С. Активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная Обратная связь. Ускорение реакций под воздействием либо её продукта (химический автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому, как в колебательном контуре с положительной обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в химической О.

С. С положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся химические реакции. Автокаталитические реакции могут привести к неустойчивости химических процессов в однородной среде и к появлению у О. С. Стационарных состояний с упорядоченным пространственным неоднородным распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью на макроскопическом уровне). Характер структур определяется конкретным типом химических реакций. В О. С. Возможны также концентрационные волны сложного нелинейного характера. Теория О. С. Важна для понимания физико-химических процессов, лежащих в основе жизни, т.к. Живой организм представляет собой устойчивую саморегулирующуюся О. С., обладающую высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопическом уровне.

Подход к живым системам как к О. С., в которых протекают нелинейные химические реакции, открывает новые возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на ранних этапах возникновения жизни. Теория О. С. Является частным случаем общей теории систем, к которым относятся, например, рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико-химических и биологических О. С. Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования. Лит. Шредингер Э., Что такое жизнь.

С точки зрения физика, пер. С англ., 2 изд., М., 1972. Гроот С., Мазур П., Неравновесная термодинамика, пер. С англ., М., 1964. Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967. Гленсдорф П., Пригожин И., Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций, пер. С англ., М., 1973. Панченков Г. М., Лебедев В. П., Химическая кинетика и катализ, М., 1961. Пасынский А. Г., Биофизическая химия, М., 1963. Волькенштейн М. В., Биология и физика, «Успехи физических наук», 1973, т. 109, в. 3. Пригожин И., Николис Ж., Биологический порядок, структура и неустойчивости, там же. Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. С англ., М., 1973. Д. Н. Зубарев.