Второй закон термодинамики в открытых системах

Закрытые термодинамические системы стремятся перейти в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется прекращением в системе всех макроскопических процессов. В таком состоянии система может оставаться сколь угодно долго без внешних воздействий. Открытые системы также стремятся перейти в состояние равновесия, однако постоянный обмен Е и веществом со средой не позволяет этого. Если этот обмен сбалансирован, биосистема находится в состоянии динамического равновесия, т.е. экзергонические и эндоргонические реакции, анаболизм и катаболизм, ассимиляция и диссимиляция уравновешивают друг друга.

2 закон термодинамики – закон вероятности [5] и направленности термодинамического процесса: самопроизвольно теплота переходит лишь от нагретого тела к более холодному, от вещества с большей концентрацией в сторону меньшей. Иными словами, невозможн ы такие процессы, единственным результатом которых являлось бы отъятие от некоторого тела определенного количества теплоты и превращение этого тепла полностью в работу. Часть тепла всегда будет передаваться более холодному телу. Второй закон показывает ограниченность превращения энергии в работу (КПД<100%) и необратимость термодинамических процессов в открытых системах[6].

Иными словами, все вещества, все виды энергии стремятся перейти в устойчивое состояние, т.е. распределиться в пространстве максимально равномерно. Движущую силу, направленную в область, где значение параметра меньше, называют градиентом (например, концентрационный градиент). Градиент равен отношению разности величин параметра в двух точках к расстоянию между ними[7]. Существование градиента свободной энергии говорит о неравновесности систем ы, энергия будет перемещаться из области большей в область меньшей, движение энергии будет упорядочено, а энтропия низкая. Вероятность существования такой системы очень мала.

Закрытые системы подчиняются закону увеличения энтропии. При самопроизвольном превращении энергии системы теряют разность энергетических уровней и утрачивают способность совершать работу (по мере использования градиенты уменьшаютсяJ, разница между "больше" и "меньше" исчезает).Поэтому тепловая энергия системы при самопроизвольных процессах возрастает и достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие (тепловая смертьJ). Энтропия (от греч. превращение) – мера утраты способности системы совершать работу, мера рассеяния энергии: S = Q/T, Q = ST. Иными словами, полезная энергия + энтропия = constanta[8].

Без вмешательства извне E→ 0, Э → ¥. Чтобы "всеобщего равенства" не наступило, клетки создают и поддерживают градиенты (например, работа Na⁺/K⁺- насоса), затрачивая на это энергию, полученную из внешней среды. 

Совершая непрерывную работу, жив ые системы постоянно расходуют энергию, но при этом живой организм удерживает «неравновесность» – разницу энергетических уровней[9], что возможно благодаря поступлению в нашу систему веществ из окружающей среды, которые имеют большой запас свободной энергии. Поэтому понятие энтропии для живых организмов было заменено понятием потока энтропии. Поступление питательных веществ в организм рассматривается как поток отрицательной энтропии (негэнтропии), поскольку при ассимиляции происходит повышение упорядоченности живой системы. Энергия, которая уходит в ходе совершения работы, представляет собой поток положительной энтропии.

Может показаться, что живые существа не подчиняются второму закону термодинамики, потому что в них S не увеличивается, а находится на постоянном уровне. Но следует учитывать, что они – открытые системы. С этой точки зрения уменьшение S и увеличение E фотосинтезирующих организмов происходит благодаря уменьшению E и увеличению S в системе Солнце-Земля. Точно так же уменьшение E в частях клетки, где идет биохимический синтез, происходит за счет избыточного увеличения S в реакциях диссимиляции, и общий баланс S увеличивается. Поэтому живые организмы подчиняются второму началу термодинамики, когда речь идет о круговороте и превращениях свободной энергии в системе организм – окружающая среда.

Стационарное состояние

Поток отрицательной энтропии возникает в процессе ассимиляции, а положительной – в процесс диссимиляции, что позволяет нам поддерживать динамическое равновесие. Процессы обмена протекают в 2-х направлениях: 1. Самопроизвольно, без дополнительных затрат Е, происходят лишь пассивные процессы, связанные с увеличением Э. 2. Активные процессы, требующие затрат Е. Если эти два потока уравновешивают друг друга, достигается стационарное состояние [10]. Живой организм в каждый момент времени не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, если рассмотреть средние значения его параметров за сравнительно большой промежуток времени, можно отметить их постоянство (температура определенных органов и тканей у теплокровных, солевой состав, осмотическое давление и водородный показатель (рН) различных биологических жидкостей. Поддерживаемые на одном уровне параметры называют константами гомеостаза.

Уровни стационарных состояний в течение онтогенеза постоянно изменяются. Живой организм может изменить уровень стационарного состояния в результате воздействия окружающей среды и при патологических процессах.

Одной из важнейших характеристик биологических систем является устойчивость стационарных состояний. Устойчивое стационарное состояние характеризуется тем, что при отклонении системы от стационарного уровня в ней возникают силы, стремящиеся вернуть ее в первоначальное положение. Внешние воздействия вызывают в неустойчивой стационарной системе нарастающие изменения, в результате которых система переходит или в новое устойчивое стационарное состояние (при дополнительной затрате энергии), или в состояние термодинамического равновесия.

Диаграмма устойчивого (а) и неустойчивого (b) стационарных состояний в открытой системе.

Если построить график зависимости Т∙dS/dt от h (где Т - температура, dS/dt - скорость производства энтропии, h - какой-либо показатель стационарного уровня системы), то для устойчивого стационарного состояния график будет представлен в виде параболы, ветви которой направлены вверх. При неустойчивом стационарном состоянии ветви параболы направлены вниз. Точка А является наиболее устойчивой. Если поместить шарик во внутрь параболы, то его положение наиболее устойчиво. Таким образом, устойчивое стационарное состояние характеризуется тем, что система не может самопроизвольно выйти из него за счет внутренних изменений (шарик из точки А не может скатиться в точку В самопроизвольно, для этого нужно совершить работу). Любое отклонение от уровня стационарности вызовет в системе увеличение скорости продуцирования энтропии. Для точки А скорость производства энтропии будет меньше, чем для точки В. Точка Ai - наиболее неустойчивое состояние системы, так как под влиянием любого внешнего толчка шарик, помещенный в эту точку, быстро удаляется от нее.

И. Пригожин (1946) на основе изучения открытых систем сформулировал основное свойство стационарного состояния: в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость продукции энтропии в открытой системе, обусловленная протеканием необратимых процессов, постоянна во времени и минимальна по величине. Организм стремится работать в самом выгодном энергетическом режиме. При этом энтропия возрастает с минимальной скоростью. Например, температура тела человека 310 К, а среды – 303 К, и возможность совершения работы за счет тепловой энергии 2 %. Но человек используее для совершения работы химическую энергию, что позволяется увеличить КПД. КПД биологических процессов: гликолиз – 36%, окислительное фосфорилирование – 55%, фотосинтез – 75%, сокращение мышц – 40%, свечение бактерий – до 96%. Наш организм стремится к созданию постоянной величины энтропии, но эмоциональная нагрузка и заболевания приводят к нарушению потоков энтропии, что выводит нас из состояния равновесия.

Стационарное состояние живого организма характеризуется высокой динамичностью: в организме протекают такие процессы, которые нарушают стационарное состояние тех или иных систем (повышение температуры тела при воспалительных процессах). Если эти изменения не превышают определенных пределов, то стационарное состояние может восстановиться, т. е. небольшие отклонения от стационарного состояния не ведут к необратимым изменениям. Биологические системы обладают способностью к саморегуляции (установление наиболее экономичных, наиболее надежных уровней работы). Это положение впервые было сформулировано в работе Ле-Шателье.

Принцип автостабилизации биологических систем: Всякая система, находящаяся в состоянии равновесия и отклонившаяся от этого состояния под воздействием внешнего возмущения, стремится самопроизвольно вернуться в равновесное состояние за счет изменения параметров в направлении, противоположном тому, которое вызвало возмущение. Стремление энтропии в стационарном состоянии к минимальной величине приводит к тому, что при отклонениях от стационарного уровня в системе наступают такие изменения, которые стремятся вернуть ее к минимуму производства энтропии. Принцип Ле-Шателье является следствием закона сохранения энергии, лежит в основе регулирования по типу обратных связей и поддержания гомеостаза в организме.

Мера сложности и самоорганизации связана с понятием информации. Иными словами, информация – это коммуникация и связь, в процессе которой устраняется неопределенность (У. Эшби), или это обозначение содержания, полученного от внешнего мира, и процесса приспособления к нему (Н. Виннер). Информация = мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени, мера изменений, которми сопровождаются все протекающие в мире процесс (В.М. Глушков). Информация – это всеобщее свойство материи, заключающееся в способности материальных объектов сохранять следы былых взаимодействий. Информация проявляется через отражение и может быть оценена количественно [из Игнатовой]. Т.е. биоразнообразие, генетическая, иммунологическая, нейрологическая память, речь, письменность, интернет – это разновидность накопления и передачи информации в живх системах, способствующие самоорганизации, саморегуляции, поддержанию негэнтропии.

3 начало термодинамики. Энтропия любой систем стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фаз, при стремлении температур к абсолютному нулю J.