Введение в термодинамику необратимых процессов - Пригожин И.
Скачать (прямая ссылка):
9. Приложения к биологии
105
необходим для решения вопроса о том, какие процессы возможны в результате
взаимодействия (сопряжения), т.е. в результате использования прироста
энтропии, происходящего в другом процессе1.
В качестве примера рассмотрим перенос вещества против градиента его
концентрации. Этот процесс может происходить различными способами,
которые можно классифицировать следующим образом:
а) Наличие силы, которая компенсирует градиент химического потенциала
[см. уравнение (3.75)]. Это особенно важно в случае заряженных частиц,
так как тогда диффузия навстречу градиенту концентрации может быть
компенсирована разностью электрических потенциалов (см. главу III, раздел
9).
б) Взаимодействие, выражаемое феноменологическими соотношениями. Таков
случай термомолекулярной разности давлений (см. главу V, раздел 3), а
также термодиффузии, когда взаимодействие возможно только с некоторыми
ограничениями (см. главу IV, раздел 5).
в) Взаимодействие в стационарных состояниях, рассмотренное в разделе 8
настоящей главы.
Макроскопическая классификация такого типа представляет значительный
интерес при применении ее к сложным явлениям переноса, происходящим в
живом организме. Возможно, однако, что рассмотрение необратимых явлений,
связанных с внутренними степенями свободы (см. главу III, раздел 11),
также приобретет важное значение, и поэтому весьма желательно более
тщательное изучение этого вопроса.
В свою очередь и теория стационарных неравновесных состояний, развиваемая
в настоящей главе, может способствовать лучшему пониманию общего
характера поведения живых организмов [56].
Можно считать, что эволюция живого организма к стационарному состоянию
происходит при наличии ряда ограничений, налагаемых внешней средой,
которые подобны параметрам, поддерживаемым постоянными в примерах,
рассмотренных в разделах 2-4 настоящей главы. Точный характер этих
ограничений может быть установлен, конечно, только путем тщательного
изучения самих процессов.
Такими ограничениями могут, например, служить определенные концентрации
некоторых веществ в окружающей среде, подвергающихся превращениям внутри
живого организма. Какова бы ни была природа этих постоянных параметров,
стационарное состояние можно, по-
13десь имеется в виду энергетическое сопряжение. Общий анализ явлений
сопряжения дан в книге: Акулов Н . С., Цепные процессы, Гостехиздат,
1951. - Прим. ред.
106
Глава VI
видимому, с хорошим приближением рассматривать как состояние,
характеризующееся минимальной величиной прироста энтропии в единицу
времени. Такое толкование превосходно согласуется с некоторыми
существенными характеристиками живых организмов.
Прежде всего, хорошо известная устойчивость по отношению к внешним
возмущениям аналогична устойчивости стационарных состояний,
соответствующих минимуму возрастания энтропии (см. раздел 5 настоящей
главы). Далее, в живых организмах в процессе роста, т. е. при постепенном
переходе к стационарному состоянию, действительно происходит уменьшение
ежесекундного прироста энтропии. Наконец, тот факт, что в процессе
развития организация живых существ в общем повышается, соответствует
уменьшению энтропии с течением времени, рассмотренному в разделе 7
настоящей главы. Другие доказательства можно найти в работе [56].
Поведение живых организмов всегда казалось настолько странным с точки
зрения классической термодинамики, что применимость термодинамики к таким
системам часто ставилась под сомнение. В результате проведенного
исследования можно утверждать, что главные черты поведения живых
организмов гораздо лучше объясняются на основе термодинамики открытых и
стационарных систем.
Глава VII Нелинейные задачи
1. Введение
Основной чертой термодинамики необратимых процессов является определение
величины прироста энтропии и потока энтропии на основе уравнения Гиббса
(ЗЛ7). Этот метод должен быть в дальнейшем обоснован с помощью
статистической механики необратимых процессов. Действительно, уравнение
Гиббса (3.17) первоначально было сформулировано для равновесных условий,
и приложение его к условиям, когда равновесие отсутствует, составляет
своего рода новый постулат, на котором базируется вся термодинамика
необратимых процессов.
Физическое истолкование этого основного уравнения состоит в том, что
энтропия и вне состояния равновесия определяется теми же независимыми
переменными, что и в условиях равновесия. Это определенно не имеет места
для состояний, весьма далеких от равновесия.
Было проведено тщательное сопоставление уравнения Гиббса с требованиями
кинетической теории газов [34]. Недостаток места не позволяет нам входить
здесь в детали этого вопроса, но мы хотели бы отметить некоторые
результаты. Для процессов переноса область применимости термодинамики
необратимых процессов ограничена областью справедливости линейных
феноменологических законов (подобных закону Фурье, см. главу V, раздел
1). В случае химических реакций скорость реакции должна быть достаточно
