Общая характеристика открытых систем

Открытые системы — это термодинамические системы, которые обмениваются с окружающими телами (средой), веществом, энергией и импульсом. Если отклонение открытой системы от состояния равновесия невелико, то неравновесное состояние можно описать теми же параметрами (температура, химический потенциал и другие), что и равновесное. Однако отклонение параметров от равновесных значений вызывают потоки вещества и энергии в системе. Такие процессы переноса приводят к производству энтропии. Примерами открытых систем являются: биологические системы, включая клетку, системы обработки информации в кибернетике, системы энергоснабжения и другие. Для поддержания жизни в системах от клетки до человека необходим постоянный обмен энергией и веществом с окружающей средой. Следовательно живые организмы являются системами открытыми, аналогично и с другими приведенными параметрами.

Пригожиным в 1945 году был сформулирован расширенный вариант термодинамики. В открытой системе изменение энтропии можно разбить на сумму двух вкладов:

d S = d Se + d Si (2).

Здесь d Se — поток энтропии, обусловленный обменом энергией и веществом с окружающей средой, d Si — производство энтропии внутри системы (рис. 2). Х — набор характеристик: С — состав системы и внешней среды; Р — давление; Т — температура.

Итак, открытая система отличается от изолированной наличием члена в выражении для изменения энтропии, соответствующего обмену. При этом знак члена d Se может быть любым в отличии от d Si.

Для неравновесного состояния: S < Smax.

Неравновесное состояние более высокоорганизованно, чем равновесное, для которого S = Smax.

Таким образом эволюцию к более высокому порядку можно представить как процесс, в котором система достигает состояния с более низкой энтропией по сравнению с начальной.

Фундаментальная теорема о производстве энтропии в открытой системе с независимыми от времени краевыми условиями была сформулирована Пригожиным: в линейной области система эволюционирует к стационарному состоянию, характеризуемому минимальным производством энтропии, совместимым с наложенными граничными условиями.

Итак состояние всякой линейной открытой системы с независящими от времени краевыми условиями всегда изменяется в направлении уменьшения производства энтропии P = d S / d t пока не будет достигнуто состояние текущего равновесия, при котором производство энтропии минимально: d P < 0 (условие эволюции) P = min, d P = 0 (условие текущего равновесия).

d P/ d t < 0 (2).

Постановка задачи. В рассмотренных примерах в литературе имеются лишь общие выводы и заключения, не приведены конкретные аналитические расчеты или численные. Целью настоящей работы является аналитические и численные исследования самоорганизации различных систем.

синергетика термодинамический система самоорганизация.