Неравновесные термодинамические системы

Второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных систем как изменение, связанное с возрастанием энтропии, т.е. переходом от упорядоченных состояний к хаотичным, от сложного к простому. Такая направленность эволюции противоположна направленности эволюционных процессов в биологии. Возникшее кажущееся противоречие было снято с появлением неравновесной термодинамики, исследующей необратимые процессы в неравновесных открытых системах. Это такие системы, в которых неравновесное состояние поддерживается стационарно притоками энергии и вещества извне. В неравновесной термодинамике определяются условия, при которых энтропия открытых систем может убывать, что означает возрастание упорядоченности в таких системах, формирование в них новых структур.

Идеи неравновесной термодинамики, выдвинутые бельгийским
(впоследствии американским) физиком и химиком российского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (1917 – 2003), лауреатом Нобелевской премии 1977 г., послужили основой принципиально нового подхода в объяснении возникновения упорядоченных структур как в физике и химии, так и в биологии. Эволюция сложных природных неравновесных систем рассматривается как процесс самоорганизации в них. Самоорганизация означает образование в системе определенной упорядоченной структуры без внешнего организующего воздействия.

Самые важные выводы были получены термодинамикой в отношении сильнонеравновесных систем. Подобные системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, имеющими, вообще говоря, не единственное решение. Каждое решение соответствует определенному типу поведения системы. При возрастании т.н. термодинамических сил, характеризующих неравновесность системы (например, градиенты температуры или концентрации вещества) состояние неравновесной системы теряет устойчивость. Это означает, что малые вариации условий могут повлечь за собой резкое изменение состояние системы. При этом возрастает роль флуктуаций, возникающих благодаря неконтролируемому воздействию извне. В равновесных системах флуктуации релаксируют и исчезают, в неравновесных системах флуктуации могут разрастаться, создавая новый тип поведения. При этом наблюдается когерентное (согласованное) поведение различных элементов системы, приводящее к созданию новой стационарной структуры, существующей лишь в неравновесных условиях.

Пример – ячейки Бернара, упорядоченные конвективные структуры в слое жидкости, перпендикулярно которому направлен достаточно мощный и однородный тепловой поток. При этом флуктуация разрастается на всю систему, в ней устанавливается определенный порядок, в когерентное движение вовлекается больше 1000 частиц.

Неравновесные стационарные структуры отличаются от равновесных структур (например, кристаллов). Структуры, возникающие как результат самоорганизации в сильнонеравновесных системах, называются диссипативными, поскольку они существуют лишь за счет достаточно больших потоков энергии извне и способствуют эффективному рассеянию (диссипации) энергии. Они образуются в короткий промежуток времени в результате быстрой качественной перестройки системы, напоминающей фазовый переход (смену агрегатного состояния).

На рисунке показана диаграмма, качественно отображающая смену термодинамических ситуаций по мере увеличения в ней некоторого потока некоторой термодинамической силы (перепада температуры, давления и др.).

В нулевой точке система находится в равновесном состоянии. При появлении движущей силы и возрастании потока система становится неравновесной. Вблизи нуля (область 1) система слабонеравновесна, линейна и детерминирована. Возникающие в ней флуктуации затухают.

При достижении движущей силой достаточного большого значения система меняет свое поведение, становится нелинейной (область 2), все более заметную роль начинают играть флуктуации.

Образование упорядоченных структур происходит в области 3, где система становится неустойчивой. Флуктуации не гасятся, а усиливаются за счет обратных связей в системе и захватывают всю систему. Вместо одного варианта развития возможно несколько новых. Поскольку флуктуации возникают случайно, то и выбор системой одного из новых вариантов своего поведения непредсказуем.

Состояние, при котором в сильнонеравновесной и неустойчивой системе происходит переход к новому типу поведения, называется точкой бифуркации. Выбор нового варианта поведенияносит вероятностный характер, что делает процесс эволюции системы принципиально необратимым. После осуществления выбора поведение системы на некотором отрезке (область 3) становится прогнозируемым. Таким образом, в поведении открытой сильнонеравновесной системы сочетаются случайность и детерминированность.

При дальнейшем увеличении движущих сил возникают новые бифуркации и ветвления (область 4). Системы, в которых бифуркации множественны, в ходе эволюции достигают такой степени запутанности поведения, что сложность становится беспорядком.