2.3.3 Неравновесные системы

Классическая термодинамика изучает изолированные системы. В таких системах при самопроизвольных процессах энтропия увеличивается до тех пор, пока не достигнет максимального значения в состоянии равновесия. Математический аппарат классической термодинамики — линейные уравнения, дающие одно решение, т. е. равным изменениям одной независимой величины должны обязательно отвечать равные изменения в зависимой величине.

Большинство систем, которые нас окружают, являются неравновесными и открытыми. Неравновесные системы изучает термодинамика неравновесных процессов. Она является теоретической основой исследования открытых систем (в том числе общества, живых существ). Неравновесная термодинамика начала формироваться в середине XX в. учеными И. Пригожиным и Хакеном.

В неравновесных системах происходят флуктуации. Флуктуация — самопроизвольное случайное отклонение системы от состояния термодинамического равновесия.

В слабонеравновесных системах внешнее воздействие относительно мало, и «отклик» системы на внешнее воздействие (обратная связь) ослабляет это внешнее воздействие. Поведение системы, при котором внешние воздействия ослабляются, называется отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь имеет линейный характер. Такая связь стабилизирует процессы в системе.

Примерами процессов с отрицательной обратной связью являются конвекция, теплопроводность, теплоизоляция, работа терморегулятора, поддерживающего постоянную температуру в замкнутом объеме (холодильник, оранжерея). В живом организме по такому принципу поддерживаются температура, давление.

В сильнонеравновесных системах результат внешнего воздействия накапливается, так как «отклик» системы на внешнее воздействие (обратная связь) усиливает внешнее воздействие. Поведение системы, при котором внешние воздействия усиливаются, называется положительной обратной связью. Положительная обратная связь имеет нелинейный характер (описывается нелинейными уравнениями, которые дают несколько альтернативных решений) и приводит к неустойчивой работе системы. Примером процесса с отрицательной обратной связью является лавина.

Сильнонеравновесные системы способны к самоорганизации. Самоорганизация — целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты различной природы: клетка, организм, экосистема, человеческий коллектив. Система способна к самоорганизации, если она состоит из большого числа элементов, является открытой и находится в неравновесном состоянии.

Особенности самоорганизации

1  В цикле самоорганизации системы наблюдаются две фазы:

 Фаза эволюции — период плавного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями. Однако постепенно результат флуктуаций в системе накапливается, это способствует появлению беспорядка (хаоса), т. е. ведет к возрастанию энтропии. Система подходит к неустойчивому критическому состоянию — точке бифуркации (точке выбора). Любое незначительное воздействие на систему, находящуюся в точке бифуркации, может привести к ее разрушению. В системе возникают диссипативные структуры.

Диссипативные структуры — устойчивые пространственно неоднородные структуры, возникающие в результате развития неустойчивостей при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативные структуры образуются, например, при чередовании восходящих и нисходящих конвекционных потоков в жидкости (ячейки Бенара), при формировании лазерного излучения, перистых облаков, в процессе эволюции живых организмов.

 Фаза революции — в точке бифуркации происходят одномоментный выход системы из критического состояния и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности, которое называется аттрактор. Новый порядок всегда восстанавливается через хаос.

2  Появление нового носит случайный характер, т. е. переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. В точке бифуркации существует несколько альтернативных путей дальнейшего развития системы, эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем, однозначно спрогнозировать нельзя.

3  Процесс самоорганизации необратим. После того, как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет.

Самоорганизация в сложных системах сопровождается нарушением симметрии. При описании эволюционных процессов необходимо отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в классической механике.

Синергетика — направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. Синергетика является междисциплинарным подходом, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же для систем разной природы, и для их описания используется общий математический аппарат.