Открытая система - термодинамич. система, к-рая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и импульсом .К
наиб. важному типу О. с. относятся хим. системы, в к-рых непрерывно протекают
хим. реакции (извне поступают реагирующие вещества и отводятся продукты
реакций). Биол. системы (живые организмы) можно также рассматривать как
открытые хим. системы. Такой подход позволяет исследовать процессы их жизнедеятельности
и развития на основе термодинамики неравновесных процессов, физ.
и хим. кинетики.
Свойства О. с. описываются наиб. просто
вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамич.
равновесия мало, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми
же параметрами, что и равновесное: температурой, хим. потенциалами компонентов
системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими
от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и систем
в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О.
с. в неравновесном (локально-неравновесном) состоянии определяется, в силу
аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отд. малых элементов
системы, находящихся в локальном равновесии (см. Локальное термодинамическое
равновесие).
Отклонения термодинамич. параметров от
их равновесных значений (термодинамич. силы) вызывают в системе потоки
энергии вещества (см. Переноса явления ).Процессы переноса приводят
к росту энтропии системы (производству энтропии).
Согласно второму началу термодинамики, в
замкнутой изолиров. системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному
макс. значению, а произ-во энтропии - к нулю. В отличие от замкнутой системы,
в О. с. возможны стационарные состоянии с пост. энтропиен при пост. произ-ве
энтропии, к-рая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние
характеризуется постоянством скоростей хим. реакций и переноса реагирующих
веществ и энергии. При таком "проточном равновесии" произ-во энтропии в
О. с. минимально (Пригожина теорема ).Стационарное неравновесное
состояние играет в термодинамике О. с. такую же роль, какую играет термодинамич.
равновесие в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О. с. в этом
состоянии хотя и поддерживается постоянной (произ-во энтропии компенсируется
её отводом), но это стационарное значение энтропии не соответствует её
максимуму (в отличие от замкнутой изолпров. системы).
Наиб. интересные свойства О. с. выявляются
при нелинейных процессах, когда в О. с. возможно осуществление термодинамически
устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких
от состояния термодинамич. равновесия и характеризующихся определённой
пространственной или временной упорядоченностью (структурой), к-рую наз.
диссипативной, т. к. её существование требует непрерывного обмена веществом
и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность
образования диссипативных структур исследуют на основе ур-ний хим.
кинетики: баланса скоростей хим. реакций в системе со скоростями подачи
реагирующих веществ и отвода продуктов реакций. Накопление в О. с. активных
продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся)
режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная
обратная
связь: ускорение реакции под воздействием либо её продукта (хим. автокатализ),
либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому как в колебат. контуре
с положит. обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие
колебания (автоколебания ),в хим. О. с. с положит. обратной связью
возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции. Автокаталитич.
реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде
и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным в пространстве
неоднородным распределением концентраций. В О. с. возможны также копцентрац.
волны сложного нелинейного характера
(автоволны ).Теория О. с. представляет
особый интерес для понимания физ--хим. процессов, лежащих в основе жизни,
т. к. живой организм - это устойчивая саморегулирующаяся О. с., обладающая
высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне.
Подход к живым системам как к О. с., в к-рых протекают нелинейные хим.
реакции, создаёт новые возможности для исследования процессов молекулярной
самоорганизации на ранних этапах появления жизни.
Примером О. с. может служить система с
четырьмя сортами молекул А, В, С, X, между к-рыми возможны две хим. реакции
по схемам
где стрелками обозначают прямую и обратную
реакции, k1, k2,
k'1,
k'2
- константы скоростей прямой и обратной реакций. Концентрации а, b,
с молекул А, В, С и константы скоростей реакций поддерживаются постоянными
за счёт подвода и отвода вещества и тепла, что характерно для О. с. На
практике, если кол-во веществ А, В, С велико по сравнению с кол-вом веществ
X, то их концентрации можно считать постоянными.
Концентрация п веществ X может
зависеть от времени t за счёт протекания хим. реакций. Из двух ур-ний
баланса веществ в реакциях (с учётом действующих масс закона)следует,
что
Из ур-ния (1) вытекает, что при
= 0 и k1а = k2b величина п при
любом нач. условии с ростом t стремится к нулю как
, где п0 - нач. значение концентрации п. В этом
же случае при k1a < k2b в пределе п также
стремится к нулю, но экспоненциально, а при k1a > k2b величина
п стремится к постоянному предельному значению, зависящему от соотношения
коэф. в (1):
Наличие неск. предельных стационарных состояний является характерным свойством
О. с., связанным с тем, что они описываются нелинейными дифференц. ур-ниями.
Упрощённая модель одномодового лазера также описывается ур-нием типа (1)
для числа возбуждённых атомов п при
=
0 с коэф., зависящими от коэф. усиления и затухания вследствие потерь в
лазере.
Учёт явлений диффузии в ур-ниях
баланса хим. реакций приводит к дополнит. членам Dд2n/дx2
(D - коэф. диффузии, х - пространственная координата), откуда
следует, что в стационарных состояниях таких О. с. концентрации п(х)пространственно
неоднородны, кроме того, при определ. условиях в них могут существовать
области, где п(х)испытывает пространств. осцилляции (диссииативные
структуры).
Др. примером О. с. является экологич.
система "хищник - жертва", к-рая описывается ур-ниями Лотки - Вольтерры
(ур-ния баланса числа "жертв" п1 и "хищников"
n2):
где,
характеризуют скорости возрастания популяций "жертв" при отсутствии "хищников"
и убывания "хищников" при отсутствии "жертв". Коэф.
характеризуют скорости гибели "жертв" из-за наличия "хищников" и возрастания
"хищников" из-за наличия "жертв". Коэф. считаются постоянными, это означает,
в частности, что запасы пищи для "жертв" достаточно велики или восполняются.
Такая экологич. система имеет два положения равновесия пг=
п2
= 0 и
Относительные числа "жертв" и "хищников" и = n1/nls,
v
= n2/n2s удовлетворяют уравнению
к-рое имеет решение
Ур-ния (2) имеют периодич. решения, к-рым
соответствуют предельные циклы, изображённые на фазовой плоскости (рис.).
Эти решения описывают периодич. колебания числа "жертв" и "хищников". Возможность
таких незатухающих нелинейных колебаний является важным свойством О. с.
Гидродинамич. системы в турбулентном состоянии
являются также примером О. с. В них возможны стационарные состояния с сильными
флуктуациями из-за баланса импульса с учётом его переноса, вызванного неоднородностями
флуктуации скоростей, и баланса флуктуации скоростей с учётом их релаксации
и диффузии.
Открытый характер системы связан с тем,
что градиент давления, обусловливающий турбулентный поток, и темп-pa поддерживаются
постоянными.
Теория О. с. - одно из направлений общей
теории систем, к к-рым относятся, напр., рассматриваемые в кибернетике
системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения
и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, описываются
системой ур-ний баланса, в общем случае нелинейных и сходных с аналогичными
ур-ниями для физ--хим. и биол. О. с. Для всех подобных систем существуют
общие проблемы регулирования и оптим. функционирования.
Д. Н. Зубарев
Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.
В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.
Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
|
![]() |