Элементы неравновесной термодинамики диссипативных систем. Закономерности самоорганизации в природе
Элементы неравновесной термодинамики диссипативных систем. Закономерности самоорганизации в природе - раздел Образование, КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Термодинамический Процесс, Все Промежуточные Состояния Которого Равновесны, Я...
Термодинамический процесс, все промежуточные состояния которого равновесны, является равновесным. Равновесность процесса является условием обратимости процесса. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в прямом и обратном направлении через одну и ту же совокупность промежуточных состояний, т.е. в самой системе не происходит никаких изменений. Полностью обратимые процессы в макроскопических системах невозможны, т.е. обратимые процессы – это идеализация реальных процессов.
Изучение реальных процессов, в частности, явлений переноса, потребовало создание линейной неравновесной термодинамики, а затем и термодинамики систем вдали от равновесия. В линейной неравновесной термодинамике исследованы и обобщены многие неравновесные процессы природы и, в первую очередь, диффузия, теплопроводность и т.п.
В этой теории отклонения от равновесия считаются малыми и соответствующие уравнения потоков: теплового, диффузионного, вязкого потока импульса, электрического тока и скорости химической реакции от градиентов (термодинамических сил) соответственно температуры, концентрации, скорости, разности потенциалов и химического сродства реакции, оказываются линейными. Однако и это приближение значительно ограничивает возможности адекватного термодинамического анализа многих природных макропроцессов.
Поэтому дальнейшее развитие термодинамики было направлено на построение теории необратимых процессов в условиях, далеких от равновесных, когда необходимо использовать нелинейные уравнения. При этом оформился принципиальный вывод о том, что неравновесные состояния и необратимые процессы могут быть источником упорядоченности. Это послужило отправной точкой для развития современной неравновесной термодинамики систем, находящихся вдали от состояния равновесия.
В природе существует множество примеров возникновения порядка в первоначально беспорядочно хаотических системах. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая природа. Однако и в неживой природе немало процессов, которые протекают в направлении от беспорядка к порядку. Например, образование высокосимметричной структуры снежинок из бесструктурного водяного пара, вихревые структуры воды при ускорении течения в области сужения русла, автоколебания (звуковые, электрические, оптические, в том числе лазерные). Естественно, процессы самоорганизации проявляются в рамках всех структурных уровней материи. Так, в мегамире они привели к образованию структур в виде звезд, туманностей, галактик и т.п.
Это обусловило объединение неравновесной термодинамики диссипативных структур И. Пригожина, нелинейной динамики и кооперативных явлений в одной междисциплинарной науке – синергетике. Синергетика – область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика является теорией самоорганизации систем различной природы.
Сам термин синергетика предложен немецким математиком Г. Хакеном (1973) и по его предложению обозначает «коллективное действие» и акцентирует внимание на кооперативности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. Декларирует идею сотрудничества различных дисциплин (наук) в рамках совершающего в естествознании и в общем научном познании глобального коэволюционного синтеза.
В неравновесной термодинамике диссипативных структур особую роль сыграл принцип производства минимума энтропии Пригожина-Гленсдорфа, согласно которому в случае открытых систем возможно в принципе как возрастание, так и убывание и сохранение энтропии:
, или = 0, или < 0, то есть взаимопроникновение порядка и хаоса. Условие означает усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению . Соотношение показывает, что энтропия, обусловленная необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду. Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом упорядоченной, организованной, за счет диссипации (dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию) и потока внешней энергии. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрерывно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуации достигают такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности, который и получил название диссипативной структуры.
Эволюция большинства систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности в рамках нелинейной динамики не случайность, а закономерность. Необратимость, неравновесность, неопределенность, случайность и нелинейность встроены в механизм эволюции. Окружающую среду в механизме эволюции не следует рассматривать просто как «термостат», имеет место совместная эволюция (коэволюция) системы и окружающей среды.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ... ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ...
Научный метод познания
Терминологическое определение науки буквально означает знание. Наука- исторически сложившаяся форма человеческой деятельности, направленная на познание и преобразование действительности. Итак, наук
Основные идеи и понятия общего естествознания
Панорама современного естествознания, фрагментарно отраженная в схемах 14, 15, 16, 19-22 явно указывает на взаимодействующие процессы в познании Природы. С одной стороны, происходит дифференциация
Общие представления о гипер-, мега-, макро-, микро-, гипомирах
При изучении объектов материального мира, их движения и взаимодействия вводят понятие состояния, включающего как сам объект, так и его окружение.
При этом в классическом естествознании рас
Концепция пространственно-временных отношений. Физический вакуум
Абстрактно-математическое описание пространственно-временных отношений фактически оформляется только в механистической картине мира. Ньютон вводит абсолютное («божественное») пространство как таков
Процессы в микромире. Элементы ядерной физики
Если свойства и квантовая физика атомов раскрывались путем изучения испускания и поглощения ими фотонов, а также линейчатых спектров атомов, то свойства ядер путем изучения радиоактивных излучений
Учение о составе вещества
Учение о составе включает в себя проблемы химического элемента и химического соединения. Первая модель «химического элемента» была введена в XVII в. Р. Бойлем, как предельного “простого вещества”,
Структурная химия
«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул.
Проблемы учения о химических процессах
Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов о
Субстратный подход.
Отличительная черта субстратного подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. определённого состава элементов – органогенов и определённой структуры входящих в живо
Функциональный подход
Отличительная черта функционального подхода состоит в исследовании процессов самоорганизации предбиологических систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.
Теория самораз
Основные гипотезы («теории») происхождения жизни
Антропный принцип, который задает фрактальную структуру стрел времени, завоевал прочное место в постклассической науке. Само понятие жизни, например, Э. Шредингер связал с общеизвестной термодинами
Структурные уровни биологической организации материи на Земле
Структурные уровни организации живой материи имеют достаточно сложную, многоуровневую систему. Мы выделим четыре главных структурных уровня биологической организации материи и в соответствие со стр
Генетика и эволюция
Генетика возникла при изучении онтогенетического уровня. Генетика (от греч. genetic-происхождение) – наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
План лекции
1. Человек как особый уровень организации живой материи. Феномен человека "как существа трёхстороннего - биосоциокультурного".
2. Концепции биосферы, ноосферы и экологии.
Концепции экологии
Концепции ноосферы и биосферы все теснее переплетаются в концепциях экологии. Господствующий до конца XX столетия экономический императив все чаще заменяется экологическим. На наш взгляд правильней
С Е М Е С Т Р (36 часов)
1. Вводное занятие: Концепция измерения в классическом и неклассическом естествознании (2 ч.).
2. Практическая работа: Определение времени реакции человека на сигнал (световой и звуковой)
ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ № 1
1.1 Предмет и задачи учебного курса «Концепции современного естествознания».
1.2 Интеллектуальная сфера культуры и её связь с современным естествознанием.
1.3 Науч
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
, или = 0, или < 0, то есть взаимопроникновение порядка и хаоса. Условие 
означает усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению 
. Соотношение показывает, что энтропия, обусловленная необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду. Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом упорядоченной, организованной, за счет диссипации (dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию) и потока внешней энергии. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрерывно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуации достигают такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности, который и получил название диссипативной структуры.
Новости и инфо для студентов