Введение в термодинамику необратимых процессов - Пригожин И.
Скачать (прямая ссылка):
№4358, pp. 777-785. - Перевод Л.Б.Меклера. Под редакцией JI. А.
Блюменфельда.
124
Нобелевская лекция
лекции я вынужден ограничиться изложением главным образом концептуальных
проблем, имеющих как макроскопические, так и микроскопические аспекты.
Так, например, макроскопический подход классической термодинамики
существенно уточнил наши представления о равновесных структурах типа
кристаллов.
Термодинамическое равновесие можно охарактеризовать минимумом
гельмгольцевской свободной энергии, обычно записываемой в виде
F = Е - TS, (1)
где Е - внутренняя энергия системы, Т - ее абсолютная температура, a S -
энтропия. Спрашивается, однако, действительно ли все окружающие нас
"организованные структуры" относятся к этому типу? Достаточно задать
данный вопрос, чтобы стало ясно, что ответ на него отрицательный.
Очевидно, что функциональный порядок, имеющий место в городе или в живом
организме, представляет собой порядок совсем другого типа. Чтобы
разработать термодинамику структур данного типа, необходимо показать, что
неравновесие может быть причиной порядка. Оказалось, что необратимые
процессы могут приводить к возникновению нового типа динамических
состояний материи, названных мной "диссипативными структурами".
Термодинамика диссипативных структур обсуждается в разделах данной
лекции, посвященных производству энтропии, теории термодинамической
устойчивости и применению данного подхода к изучению динамики химических
реакций.
Для химии и биологии нашего времени диссипативные структуры представляют
особый интерес. Их появление в системе свидетельствует о когерентных
процессах, идущих на надмолекулярном уровне, отражением чего являются
совершенно своеобразные их свойства, проявляющиеся, например, в
биохимических циклах, компонентами которых служат работающие в
колебательном режиме ферменты.
Каким же образом и почему в результате реализующихся в химической реакции
соударений молекул возникают такие когерентные структуры? Этот вопрос
кратко обсуждается в разделе, посвященном закону больших чисел. Я
постараюсь подчеркнуть то обстоятельство, что обычная химическая кинетика
соответствует теории "усредненного поля", очень похожей на теорию Ван-
дер-Ваальса, выражением которой являются уравнения состояния, и на теорию
ферромагнетизма, разработанную Вейссом. Совершенно так же, как и эти
теории, теория усредненного поля перестает быть справедливой при
приближении
Время, структура и флуктуации
125
системы к состоянию неустойчивости, когда возникают новые диссипативные
структуры. Как и в теории равновесных процессов, существенную роль при
этом играют флуктуации. В двух последних разделах я рассмотрю особенности
подхода к анализу этих проблем на микроскопическом уровне и дам обзор
результатов исследований, выполненных в данном направлении нашей группой,
работающей в Брюссельском университете. Результатом этих исследований
явился вывод уравнений для анализа необратимых процессов на
микроскопическом уровне. Необходимо, однако, подчеркнуть, что достичь
этой цели удалось лишь благодаря применению теории преобразований, что
позволило вывести новые неунитарные уравнения движения, в явной форме
учитывающие необратимость и приближение к термодинамическому равновесию.
Введение в эту теорию элементов термодинамики приводит к иной
формулировке законов динамики (классической или квантовой). Этот факт
является наиболее неожиданной особенностью данной теории. Появление
существенно новых теоретических построений при рассмотрении микромира
элементарных частиц или макромира космического масштаба не вызывает
удивления уже с самого начала нашего века. В данном случае мы видим, что
учет термодинамики приводит к новым теоретическим построениям и для
явлений, наблюдаемых в системе нашего собственного масштаба. Это цена,
которую приходится платить за возможность формулировки теоретических
методов, при применении которых время приобретает свой истинный смысл,
связанный с необратимостью или даже с "историей" процесса, а не является
просто геометрическим параметром, характеризующим движение.
Производство энтропии
Обратимые процессы принципиально отличаются от необратимых, и это
различие - суть второго закона термодинамики [1]. Именно это различие с
необходимостью приводит к введению понятия энтропии (S) и формулировке
второго закона термодинамики. Классическая формулировка этого закона,
данная еще Клаузиусом, относится к изолированным системам, т. е. к
системам, не обменивающимся с внешней средой ни энергией, ни веществом. В
этой формулировке второй закон термодинамики лишь устанавливает
существование функции 5, монотонно возрастающей и достигающей максимума,
когда система достигает термодинамического равновесия:
dS ^ п
126
Нобелевская лекция
Это уравнение нетрудно распространить на системы, обменивающиеся с
внешней средой и энергией, и веществом (рис. 1). В этом случае изменение
энтропии dS следует рассматривать как сумму двух слагаемых: первое из
