Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь  


Самоорганизующиеся системы




 

В закрытых системах устойчивым равновесным состоянием является состояние с максимумом энтропии. Применительно к термодинамическим системам это означает, что наиболее устойчивым будет такое состояние, в котором элементы равномерно распределены по всей системе и средняя температура повсюду будет одинаковой.

Открытые системы также стремятся к состоянию максимальной энтропии. Если же на систему происходит воздействие извне, то она ведет себя в соответствии с принципом Ле Шателье:система, выведенная внешним воздействием из состояния равновесия, стимулирует развитие процессов, ослабляющих это воздействие. Для характеристик системы в этом состоянии большую роль играет понятие приращения энтропии. Если в ходе функционирования системы происходит производство энтропии, то она будет стремиться снизить его за счет стационарного состояния. Эта особенность открытых систем была отмечена бельгийским физиком и философом русского происхождения И. Пригожиным, который сформулировал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии.

Приток в систему энергии извне может оказывать влияние на процессы ее упорядочения. В 1900 г. Х. Бенар открыл появление внутренней структуры в вязких жидкостях при нагревании. В сковороде на плите находилась ртуть, которая подогревалась снизу. При определенном значении температуры беспорядочное движение молекул ртути превращалось в упорядоченное и верхние слои ртути распадались на правильные шестигранники, напоминающие пчелиные соты. В центральной части такой призмы жидкость поднималась, а по краям опускалась, причем на поверхности движение было направлено от центра к периферии, а около дна — наоборот. Структура Бенара является классическим примером возникновения упорядоченности в хаотических системах.



Очевидно, что при притоке энергии происходит ее преобразование, и какая-то ее часть направляется на создание и поддержание упорядоченности структуры. Наиболее заметными такие процессы являются в так называемых диссипативных системах(от лат. dissipatio — рассеиваю). Диссипативные системы используют энергию высокого ранга, преобразуют ее и рассеивают в окружающую среду теплоту. Примером диссипативной системы является любой живой организм. Живая клетка потребляет энергию, содержащуюся в сложных органических молекулах АТФ (аденозинтрифосфат), которые при расщеплении во внутриклеточных «энергетических станциях» — митохондриях — дают углекислый газ и воду, при этом выделяется большое количество теплоты, которая рассеивается в окружающую среду. Энтропия внутри диссипативной системы поддерживается на постоянном уровне, т.к. не изменяется общая упорядоченность такой системы, а энтропия окружающего мира при этом увеличивается, поскольку энергия преобразуется от сложных форм к самым простым. Можно сказать, что диссипативные системы понижают упорядоченность окружающего мира, но за счет этого поддерживают свой собственный порядок.

В диссипативных системах происходит структуризация и ее поддержание за счет окружающей среды, однако ученых волновал вопрос — может ли система понизить свою энтропию за счет процессов, происходящих в ней самой, без воздействия извне. При максимуме энтропии система находится в состоянии равновесия. Было доказано, что при определенных обстоятельствах могут происходить отклонения от этого состояния без внешнего воздействия. Такие явления были названы флуктуациями. Для понимания механизма таких процессов необходимо вновь обратиться к равновесным термодинамическим системам.

Проделаем простейший опыт — нальем в блюдце воды и оставим его в комнате, температура воздуха в которой равна двадцать градусов. Через определенное время вода полностью испарится — «высохнет». Этот факт является настолько обыденным, что мы даже не задумываемся, почему это происходит. Ответ на этот вопрос может оказаться сложнее, чем кажется на первый взгляд, если мы вспомним, что температура кипения воды — сто градусов. В самом деле, если молекулы воды переходят в газообразное состояние только при ста градусах, как может происходить испарение при комнатной температуре?

Английский физик Максвелл доказал, что при температуре жидкости или газа, равной определенной величине, не все молекулы обладают энергией, равной этой температуре. В общем числе обязательно будут более быстрые «горячие» молекулы и более медленные «холодные». Количество быстрых и медленных молекул одинаково, они уравновешивают друг друга и средняя температура остается неизменной, однако часть молекул будет обладать энергией, достаточной для отрыва от поверхности. Именно за счет этих молекул и происходит высыхание жидкости.

Распределение молекул по градиенту температур получило название распределения Максвелла.

При помощи распределения Максвелла можно объяснить, как системы, находящиеся в состоянии равновесия, могут от него отклоняться. Сточки зрения обыденного сознания самопроизвольное отклонение и структуризация системы невозможны, поскольку противоречат второму закону термодинамики. Однако на самом деле это не так. Максвелл предложил способ построения вечного двигателя второго рода, т.е. использующий возникающий градиент температур. Если в резервуаре, заполненном газом определенной температуры, поставить перегородку с отверстием, равным по диаметру размеру молекулы газа, и заставить некое существо, способное различать молекулы, открывать это отверстие перед быстрыми молекулами и закрывать перед медленными, то можно собрать все «горячие» молекулы в одной части резервуара, а все холодные — в другой. Таким образом, получится разность температур, которую можно использовать для производства определенной работы. Существо в резервуаре получило название демон Максвелла. Разумеется, на практике такой вечный двигатель невозможен, поскольку идеального существа, способного выполнять реальную работу (открывать и закрывать отверстие) не существует, а любой механизм, способный справиться с этой задачей, будет потреблять определенное количество энергии, величина которой будет как минимум не меньше величины полученной энергии.

После Максвелла было предложено множество подобных устройств. Предлагалось, например, закрыть отверстие клапаном с пружиной, которую могли бы открывать более быстрые молекулы и не могли — медленные. Однако при этом не учитывалось, что на открытие такого клапана потребуется энергия, в результате чего «горячие» молекулы, переходя в свою область резервуара, будут остывать и не дадут необходимой разницы температур.

Демон Максвелла представлял собой мысленный эксперимент, который никогда не сможет воплотиться в реальности, однако распределение Максвелла действительно существует и помогает объяснить некоторые системные процессы. Дело в том, что, с точки зрения теории вероятности, возможно перераспределение молекул без всякого участия сверхъестественных существ. В самом деле, если существует определенный градиент температур молекул газа, заполняющего резервуар, то теоретически не исключена ситуация, когда все горячие молекулы соберутся в одной его части, а все холодные — в противоположной. Вероятность наступления такого события чрезвычайно мала, она составляет приблизительно единицу, деленную на количество молекул, однако она есть. В простейшем случае, если в резервуаре будет всего две молекулы, возможно распределение в трех вариантах — либо обе молекулы будут находиться с одной стороны перегородки, либо с другой, либо по разные стороны. В третьем случае система будет равновесной, но в первом и во втором — в состоянии, отклоненном от равновесия, причем для такого отклонения не потребуется никакого воздействия извне. Именно такие отклонения мы и называем флуктуацией.

Флуктуация является первым шагом к самоорганизации изолированных систем. При помощи этого явления современная наука объясняет множество самых разнообразных системных процессов — от рождения Вселенной до появления жизни.

Наука о процессах самоорганизации в системах получила название синергетики. Эта наука еще очень молода, она возникла в начале 70-х гг. ХХ в. Ее основателем и автором самого названия «синергетика» является немецкий физик Герман Хакен. Вот как он сам объясняет смысл названия новой науки: «Я назвал новую дисциплину синергетикой не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих научных дисциплин».

Синергетика изучает процессы самоорганизации, появляющиеся под воздействием флуктуаций. В приведенном примере с двумя молекулами газа в резервуаре возникновение флуктуации не приведет к значительному изменению состояния системы, поскольку такое изменение будет вскоре погашено по принципу Ле Шателье. Такая система не обладает достаточной сложностью для сохранения изменений. Однако в определенных системах флуктуации могут вызвать крупномасштабные изменения, которые будут наблюдаться уже на макроскопическом уровне. Энтропия в самоорганизующейся системе уменьшается. Несмотря на возможность возникновения флуктуаций в закрытых системах для поддержания образовавшейся структуры необходим приток энергии извне, поэтому самоорганизующимися могут быть только открытые системы.

Процессы самоорганизации являются нелинейными,а системы, в которых они происходят, называются нелинейными системами. В таких системах нет прямой зависимости между воздействием на систему извне или изнутри и ее реакцией на такое воздействие. Например, механические системы являются линейными, поскольку увеличение силы, воздействующей на объект в механической системе, однозначно приводит к увеличению ускорения этого объекта. В нелинейных системах незначительные воздействия могут вызывать сильные реакции, и наоборот. Нелинейность самоорганизующихся систем была доказана Пригожиным. Простейшим примером нелинейной системы является резонанс. Увеличение силы колебания не приводит к возникновению резонанса, для него необходимо совпадение частоты внешнего воздействия и внутренней частоты системы. Например, если гитарная струна настроена на ноту «ля», то, воздействуя на нее с помощью колебаний в иной частоте, мы не добьемся ее звучания, сколь бы сильным это воздействие не было. Однако даже слабое воздействие с нужной частотой приведет к возникновению резонансных колебаний.

Самоорганизация возникает чаще всего, если система находится в состоянии неустойчивого равновесия. Можно поставить карандаш на острие и добиться его равновесия, при этом энтропия такой системы будет максимальной — мы не знаем, в какую сторону он упадет, т.е. не имеем никакой информации. При самом незначительном воздействии извне карандаш упадет, т.е. перейдет к состоянию устойчивого равновесия. Все состояния системы стремятся к таким устойчивым состояниям, поэтому они получили название аттракторов («притягивающих к себе»).

Говоря в общем виде, самоорганизующиеся системы обладают способностью к уменьшению количества энтропии внутри себя за счет увеличения ее в окружающей среде. Э. Шредингер сформулировал этот принцип следующим образом: «Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды».

 

 




Читайте также:
Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ...
Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация...
Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной...



©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1307)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.009 сек.)