Самоорганизация в неравновесных системах - Николис Г.
Скачать (прямая ссылка):
Это привело к созданию линейной неравновесной термодинамики, которая охватывает все случаи, когда потоки (или скорости необратимых процессов) янляются линейными функциями «термодинамических сил» (градиентов температуры или концентраций). Одним из случаев применимости линейной неравновесной термодинамики является термодиффузия. Так, если на смесь днух различных газов наложить градиент температуры, то один из газов концентрируется вблизи горячей стенки, а в юрой — вблизи холодной. Б результате энтропия смеси становится ниже, чем в том случае, когда смесь был я бы однородной. Позднее мы увидим, что больцмановский принцип упорядоченности свялываст белес низкую энтропию с более высокой степенью упорядоченности. Отедоватс-.'пшо. здесь мы Имеем ситуацию, когда неравновесность может служить источником упорядоченности. Этот вывод послужил отправной точкой Для круга идеи, выдвинутых Брюссельской школой**).
И все-таки и рамках линейной неравновесной термодинамики в действительности нельзя говорить о новых структурах. В линейной области мы имеем дело с равновесными структурами, но модифицированными внешними воздействиями', которые не позволяют системе достичь состояния равновесия. Именно поэтому паша группа начала изучение удаленных от равновесия систем, которые, однако, по-прежнему можно было
*) Otisuger !.. Pllys. Rev.. 37, 405 (1931).
**) Pngoginc !., Tliesc de doctoral. Universite Libre de Bruxelles. 194"). "oifip последних ряйот можно нпйтн в статье: Prigogine t., Glansdorf! P.. Hu!]. Acad. Цоу. Balg. Cl Sei., SB, 672 (?973).
12
Общее введение
бы описывать макроскопическими, термодинамическими переменными.
Результаты получились неожиданными и даже захватывающими. Наиболее интересным для пас п этом направлении был случай химических реакций. Скорость химических реакций обычно является нелинейной функцией еоо]нстстнующцх переменных, т. е. концентрации или температуры. В результате этого химически реагирующая смесь описывается нелинейными уравнениями, имеющими, вообще говоря, более одного решения, даже с учетом граничных и начальных условий. Рассмотрим, к примеру, решение, соответствующее равновесным условиям, которые сводятся к требованию максимальности энтропии для и чили ронянных систем или минимальности гсльмролкиевской свободной энергии для систем при фиксированных температуре и объеме. Это решен не мы назовем «термодинамической ветвью». Пусть внешнее воздействие изменяется таким образом, что система все более удаляется от равновесий. При этом неравновесная термодинамика позволяет сформулировать досрочное, условие устойчивости термодинамической ветви. Если это условие не выполняется, то термодинамическая ветвь может стать неустойчивой, и в системе может возникнуть новая структура, характеризующаяся когерентным пояснением.
Пример такого поведении уже давно известен в гидродинамике. Рассмотрим сосуд с жидкостью, нагреваемый снизу. Если градиент температуры остается малым по сравнению с некоторым характерным значением, то тепло переносится через жидкость за счет процесса теплопроводности. Однако цо мерс возрастания Интенсивности нагревания при определенном градиенте температуры спонтанно возникают конвективные ячейки с регулярным течением. Такое течение соответствует высокой степени молекулярной организации, причем оно возможно лишь за счет переноса энергии от теплового движения к макроскопическому конвективному движению. Этот эффект называется бенаронскон неустойчивостью,
Сутеетиецно, что кне_ области устойчивости термодинамической петви может возникать новый тип организации, связывающий когерентное пространственно-временное поведение системы с динамическими процессами внутри системы (например, конвенцию с химической кинетикой). Термодинамическая ветвь становится неустойчивой достаточно далеко от равновесия лишь при наличии » системе соответствующей обратной связи. Появляющиеся при этом ноные структуры радикально отличаются от «равновесных структур», изучаемых классической термодинамикой, например жидкостей или кристаллов. Такие структуры могут существовать вдали от равновесия лищь за счет достаточно большого потока энергии и вещества. В качестве примера
Общее введение
13
можно было бы принесли юрод, существующий до тех пор, пока он является потребителем пищи, топлива и других предметов и производителем различной продукции II отходов.
Терм ин ждигеина-] ивные структуры» мы ввели для того, чтобы подчеркнуть их отличие or рлнпонееных структур. Днссп-пативцые структуры являют собой поразительный пример, демонстрирующий способность перавповеспости служить ИСТОЧНИКОМ упорядоченности Механизм образования дпесипатнвных структур следует четко отличать от механизма формирования равновесных структур, основанного на больцмацовском принципе упорядоченности.
В самом деле, именно Болы im ян впервые указал, что энтропия является мерой неупорядоченности, н сделал отсюда вывод, согласно которому закон возрастания энтропии по сути дела есть закон возрастания неупорядоченности*). Больцман связал энтропию с числом состояний системы Р посредством соотношения
