Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктруций - Гленсдроф П.
Скачать (прямая ссылка):
Гл. 14—16 посвящены исследованию открытых химических систем. Нам кажется, что их изучение представляет особый интерес благодаря ряду неожиданных свойств и непосредственной связи результатов с биологическими проблемами. Вдали от равновесия в таких системах могут существовать колебания во времени около стационарного состояния. Могут также возникнуть или неустойчи- 15 ВВЕДЕНИЕ
вости или ряд стационарных состояний, каждое из которых устойчиво в некоторой области.
Задачи о колебаниях изучаются в гл. 14. Первые модели периодических химических реакций были предложены уже давно [115, 193], но только за последние годы было накоплено значительное количество данных по низкочастотным химическим колебаниям, особенно в области биохимических реакций.
Как подчеркивается в гл. 14, существуют два типа химических колебаний. Первый тип соответствует колебаниям на «термодинамической ветви»; этот случай реализуется в модели Лотка — Воль-терра. Точнее, эта модель соответствует пределу бесконечного химического сродства. Другой тип соответствует колебаниям за пределом устойчивости термодинамической ветви. Это приводит к понятию «предельный цикл», введенному в теоретическую механику Пуанкаре в 1892 г. Такие предельные циклы представляют большой интерес, поскольку они являются прекрасным примером временного упорядочения, порожденного необратимыми процессами.
Химические неустойчивости, приводящие к пространственной организации, изучаются в гл. 15. Особый интерес представляют «неустойчивости, нарушающие симметрию», потому что они приводят к спонтанной «самоорганизации» системы, с точки зрения как ее пространственного порядка, так и ее функций. Здесь мы имеем пример того, что мы называем диссипативными структурами, соответствующими низкому значению энтропии. Они могут возникать в системах, в которых для установления внутреннего микроскопического порядка может осуществляться обмен энергией и веществом с внешней средой.
Существование таких диссипативных структур уже подтверждено как путем машинных, так и лабораторных экспериментов [141, 72]. Вдали от равновесия химические реакции могут компенсировать влияние диффузии и приводить к возникновению упорядоченных структур на макроскопическом уровне. Это факт первостепенной важности, который, по-видимому, открывает новые перспективы в классической термодинамике. Более того, требования, необходимые для получения неустойчивости вдали от равновесия, вполне совместимы с механизмом некоторых важнейших биохимических реакций, ответственных за поддержание биологической активности [158].
Другой интересный момент состоит в том, что число стационарных состояний открытой системы может сильно возрастать вдали от равновесия (гл. 16). Такое расширение возможностей имеет важное значение в биологических приложениях. В качестве иллюстрации изучается модель возбуждения мембраны, предложенная Блюменталем, Шанже и Лефевером [10], в которой кооперативное поведение вместе с необратимыми процессами вдали от равновесия приводит к новому типу «диссипативного» фазового перехода, 16
ВВЕДЕНИЕ
Все эти результаты показывают, что диссипация действительно может быть источником упорядочения как во времени, так и в пространстве. Вполне вероятно, что такое рассмотрение сможет в конечном счете уменьшить разрыв, существующий на сегодняшний день между биологией и теоретической физикой. Вдали от.равновесия и неустойчивости *) мы на самом деле имеем новое состояние вещества, порождаемое заданным потоком свободной энергии. Принадлежат ли биологические процессы к этому состоянию? Это совершенно особая проблема, для решения которой потребуются новые идеи и дальнейшее изучение. Теперь несомненно одно, что важные биологические процессы протекают за пределом устойчивости термодинамической ветви, и, следовательно, не могут быть объяснены экстраполяцией от термодинамического равновесия.
Данная книга состоит из трех частей: первая (гл. 1—9) посвящена общей теории; вторая (гл. 10—13) —вариационной технике и гидродинамическим приложениям и, наконец, третья (гл. 14—17) — неустойчивости химических систем.
Читатели, интересующиеся в основном последней частью, в которой обсуждается возможное приложение к биологии, могут при чтении книги опустить вторую часть.
Французский философ Анри Бергсон [5] назвал второй закон термодинамики самым метафизическим из всех законов природы. Этог сомнительный «комплимент» можно отнести и к «обобщенной термодинамике», которую мы развиваем в этой книге.
Классическая термодинамика, в сущности, — теория «•разрушения структуры». Производство энтропии можно даже рассматривать как меру «скорости» этого разрушения. Но классическую термодинамику необходимо каким-то образом дополнить отсутствующей в ней теорией «создания структуры».
Кроме производства энтропии в этом подходе введено производство избыточной энтропии, которое, по-видимому, должно характеризовать появление новых структур и их устойчивость. В случае химических реакций мы увидим, что устойчивость определяется совокупностью кинетических и термодинамических величин. Никакие утверждения не возможны без учета конкретной кинетики, поэтому следует рассмотреть специальные классы химических реакций (например, системы мономолекулярных реакций, кросс-каталитические реакции). Как следствие возникает большое число возможностей, что существенно отличается от универсального характера утверждений классической термодинамики о системах, стремящихся к равновесию.
