Реферати українською » Биология » Як поводяться макросистеми далеко від рівноваги? Пояснення принципу локального рівноваги


Реферат Як поводяться макросистеми далеко від рівноваги? Пояснення принципу локального рівноваги

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Томський міжвузівський центр дистанційної освіти

Томський державний університет системам управління і радіоелектроніки (>ТУСУР)

Контрольна робота №3

По дисципліни «Концепція сучасного природознавства»

останні 2 цифрипароля:07

Виконала

Студенткагр.З-828-Б

Спеціальності 080105

Афоніна тому Юлія Володимирівна

24 січня 2008 р.


Р. Нафтоюганськ

1. Як поводяться макросистеми далеко від рівноваги? Поясніть принцип локального рівноваги

Положення рівноваги з молекулярно-кінетичної погляду відповідає стан максимального хаосу в ізольованій системі. За законами термодинаміки таку систему повернеться становище рівноваги; під час видалення від цього неї стає дедалі хистким, і навіть малі зміни будь-якого параметра можуть перевести систему до нового стан. Необхідно узагальнення теорії на незворотні процеси і відкриті системи, які можуть опинитися обмінюватися з довкіллям речовиною чи енергією. Таких узагальнень вимагала і розвиваючись техніка, і чималі докладання у фізиці, хімії, біології.

Поняття локального рівноваги вводять при повільному зміні зовнішнього впливу й у часу, більшого характерного часу елементарногорелаксационного процесу, формує рівновагу. Ці умови — з статистичного розгляду процесів. Принцип локального рівноваги обмежує число систем, доступнихтермодинамическому розгляду. Є й взаємовпливи друг на друга які відбуваються необоротних процесів. Існує принцип симетрії Кюрі, що у формулюванніВейля говорить: «Якщо умови, однозначно що визначають будь-якої ефект, мають деякою симетрією, то результати їхньої дії не порушить цю симетрію». Тому формально всенеравновесние процеси поділяють на скалярні (хімічні реакції), векторні (теплопровідність, дифузія) ітензорние (в'язке тертя). Відповідно до цим принципом величини різних розмірностей неможливо знайти пов'язані одне з одним. Іскалярная величина (хімічне спорідненість) неспроможна викликати векторний потік (теплопровідність).

Складні системи на відміну простих, описуваних кількома параметрами, складаються із великої числа змінних і його великого числа перетинів поміж ними. У складну систему з'являється через внутрішніх взаємодій багато властивостей, яких в її частин (емерджентні властивості), вони — слідство цілісності системи. Дорогою кожній досить складної системи рівноваги, що характеризується максимумом ентропії, зустрічаються обставини, які дозволяють це. Серед таких виступають граничні умови. Якщо вони самі постійні, наприклад, підтримують межах, то перемінні стану прагнутьасимптотически до незалежною від часу величинам, досягаючиквазистационарного чи стаціонарного стану.

Принцип локального рівноваги і теорема про мінімумі виробництва ентропії в рівноважних станах було покладено основою термодинаміки необоротних процесів.

Наведемо класифікацію нерівноважнихмакросистем по Пригожину. У лінійної нерівновагової термодинаміці досить близькими доравновесним є локальноравновесние системи чиравновесние у певному локальному «елементарному» обсязі DV. Лише цього обсязі дотримуютьсяравновесниетермодинамические закони. Звідси випливає, що у просторі системи все основнітермодинамические перемінні залежатимуть від часуt і просторової координати x. У термодинаміці це температураT(x,t), тискP(x,t), хімічний потенціалm(x,t) і екстенсивні перемінні щільності ентропіїx(x,t), щільності енергіїu(x,t), число молей якогось компонентаn(x,t) поодинці обсязі. У економіці що можуть бути вести, ціни, тарифи, грошові, товарні і людських ресурсів (потоки) відповідно. І поодинокими може бути якась площу або час маса.

І тут для одиничних обсягів (т. е. у кожному точці x у будь-яку довільнуt) справедливо співвідношення Гіббса

>dU =Tds –Pdv +

Локальні обсяги можуть взаємодіяти з різними параметрами стану.

З статистичної механіки, рівновагу визначає розподіл Максвелла за швидкостями і за взаємодії локальних обсягів (не кожного) відбуваються хімічні реакції, отже відхилення від рівноваги, але швидкість повернення нього досить великий, що дозволяє зберегти локальність. Однак цьому повинні прагнути бути накладено деякі обмеження намолярную щільність і однорідність елементарного обсягу.

Відомо, що з невеликих відхилень від рівноваги дотримуєтьсяфеноменологическое співвідношення між потоками і силами. Нехай =k для теплових потоків, тоді

>Jk =LkjFj

Коли ж врахувати співвідношення взаємностіОнзагераLjk =Lkj, то формула

> =LjkFjFk > 0

визначає стійкість систем цього видунеравновесности.

У цьому пам'ятаймо, що у зв'язки й знеравновесностью якісь сили підтримують потоки постійними, інші зводять їх нанівець.

У термодинаміці це, наприклад, якась витік тепла за відсутності потоку речовини, економіки — невеличка стала інфляція при стабільних цінах на що визначають товари.

У цьомустационарность, т. е. сталість витоку будь-якого речовини чи енергії, забезпечує мінімум виробництва ентропії.

Проте ці лінійні феноменологічні співвідношення вони не виконуються імикрообъеми можуть поводитисяколебательно і, далі, хаотично.

Одначе почнімо зі стаціонарноїнеравновесности, коли він (в термодинаміці) потоки енергії і ті речовиниJk не звертаються до нуль. Звідси перша варіація ентропіїdS не звертається до нуль, отже існує другаd2S зі своїми знаками.

>Пригожиним запропоновано в нерівноважних системах користуватися критеріємЛяпунова, який свідчить у тому, що й обурену рух відрізняється відневозмущенного певну малу позитивну величину і її у своїй зменшується або за межі наперед заданої величини, це рух стійко.Пригожин запропонував як «функціоналу»Ляпунова використовуватиd2S, чи «надлишкове виробництво ентропії»:

 = > 0

Якщо нерівність виконується, то таке стаціонарне стан стійко. Але тут є обмеження. Вони стосуються флуктуацій. Це може бути неоднорідності, дефекти чи будь-які випадкові чинники. У економіці що можуть бути мінливі умови у бізнесі, часта зміна законодавства тощо. За наявності значних флуктуацій в нерівноважних системах можливо непередбачувана поведінка («дуалістичне»). Часто поведінка таких систем за певних умов стає упорядкованим у просторі і часу. Це властивість нерівноважних систем переходити в упорядкований стан через флуктуації чи «порядок через флуктуації» І.Пригожин визначив як фундаментальне.

У термодинаміці досліджений ряд стійких організованих структур: осередкиБенара, верстви Жаботинського. Вони названіПригожинимдиссипативними.Макросистемние моделі подібного типу можна використовувати економіки затяжного перехідного періоду на великих необоротних потоках. Наприклад, розробки стратегій безпеки, антикризових програм, тож в що розвиваються регіонах і галузях.

Головними є питання, як підтримувати систему далеко від рівноваги і яких флуктуацій вона перетворюється на нові стану.

Загалом вигляді рух чи розвиток системи можна записати як

 =Zk(Xi,),

деХk — параметри стану системи;k = 1, 2, ..., n; — параметр, дозволяє підтримувати систему далеко від рівноваги.Множественность вирішення цього рівняння одна із умов, що призводить до нестійкості,диссипативним структурам, біфуркації.

Отже, по Пригожину, можна назвати три варіанта нерівноважних моделей: локальноравновесние, стаціонарнонеравновесние іфлуктуационно-диссипативние.

2. Які етапи можна назвати у розвитку самоорганізуючої системи

>Самоорганизация — спонтанне освітувисоко-упорядоченних структур з зародків і навіть з хаосу, спонтанний перехід від неупорядкованого стану до впорядкованого з допомогою спільного, кооперативного (синхронного) дії багатьох підсистем.Хаотическое стан містить у собі невизначеність — ймовірність і випадковість, які описуються з допомогою понять «інформація» і «ентропія». Після вивчення випадковостіХакен розглянув потребі - і отримав детермінований рівняння руху. У цьому головними виявляються вибір рівноважних мод як дослідження їх стійкості. Випадкове подія викликаєнеустойчивость,а це — поштовх до виникнення нових конфігурацій (мод).Зародишем самоорганізації служить «ймовірність»; упорядкованість виникає через флуктуації, стійкість через нестійкість. У передмові зі своєю книзі «Синергетика»Ха-кен пише: «Я назвав нову дисципліну «синергетикою» як оскільки у ній досліджується спільну дію багатьох елементів систем, а й бо перебування загальних принципів, управляючих самоорганізацією, необхідно кооперування багатьох різних дисциплін».

Сумарна зменшення ентропії у відкритих системах за певних умов з допомогою обміну потоками із зовнішнього середовищем може перевищити її внутрішнє виробництво. З'являється нестійкість попереднього неупорядкованого однорідної стану, з'являються і можуть зрости до макроскопічного рівня великомасштабні флуктуації. З хаосу виникатимуть структури, котрі переходити в дедалі більш впорядковані. Ці структури утворюються з допомогою внутрішньої перебудови системи, тому це явище одержало назву самоорганізації. У цьому ентропія, віднесена при цьому значенням енергії, убуває.Пригожин назвав впорядковані освіти, що удиссипативних системах під час нерівноважних необоротних процесів,диссипативними структурами (від латів.dissipatio — розганяти, розсіювати). Вважається, що структури леткі і виникають при розсіянні вільної енергії в нестійких відкритих системах.

Світ живого —самоорганизующийся. Приблизно так як біосфера —самоорганизующая цілісність, такі і її рівні. Для тваринного світу формою організації є стадо. Соціальна поведінка тварин — це еволюційний механізм, визначається перевагами життя. Поступово потреба у забезпечення безпеки у тварин ставала вищої потребою, сформувала відповідні інстинкти. Спочатку було анонімна зграя, потім з'явилася безособова потім особиста сім'я.Этология (від грецьк. етос — поведінка, характер, норов) — наука щодо поведінки тварин — показує, що у тваринний світ є суспільне життя з емоціями й почуттями. До.Фриш експериментував з бджолами, аК.Лоренц іН.Тинберген вивчали складніше поведінка багатьох видів птахів, риб, ссавців і комах.

3. Які системи можуть міститися увисокоупорядоченном стані? Які необхідні умови виникнення самоорганізації і є чи достатні? Поясніть, чому інформованість, важливе властивість самоорганізації

Жива клітина — це елементарна організована частина живої матерію та складнависокоупорядоченная система.Опитним шляхом встановлено, що безупинно відбуваються синтез великих молекул з малих акціонерів та простих —анаболические (від грецьк.anabole — підйом) реакції, куди витрачається енергія, та його розпад —катаболические (від грецьк.katabole — скидання вниз) реакції.

Встановлено, що у клітині безупинно відбувається синтез великих молекул з малих акціонерів та простих (>анаболические реакції, куди витрачається енергія) та його розпад (>катаболичес-кие реакції). Сукупність в клітині є процес метаболізму.Особи, студійовані в таких межах, не існують абсолютно ізольовано у природі, вони об'єднані більш рівні організації — лише на рівні популяції.

>Эволюцию на молекулярному рівні дозволяє простежити зіставлення однотипних білків різних видів організмів, можна спорудити і еволюційний древо з урахуванням складу білка. Різниця може пов'язуватися з природним відбором, але відбір визначається біологічними функціями білків,фенотипами. Проте чи завжди однозначна зв'язок «тексту» первинної структури кайдани й посадили просторового будівлі білковоїглобули з функцією білка. Не все мутації білків ведуть зміну своїх функцій, частина їхньої виявляється нейтральній. За теорієюнейтралистской молекулярну еволюцію японського генетика М. Кімури (1968) швидкість еволюції білка залежить від розміру популяції, причому активна частина ланцюга еволюціонувала повільніше, ніж її «каркас». Швидкість еволюції білка протягом року він висловлював ставленням числазамещенних амінокислотних залишків одного залишку. Вона опинилася постійної до різних ліній еволюції за збереження функцій і просторової структури молекули.Величини швидкостей заміщень були від 10-9. Отже, час існування Всесвіту замало побудови макромолекул, якби положення кожної ланки фіксувалося відбором.

Висновки Кімури про еволюцію білків і нуклеїнових кислот годі було поширювати природний відбір, належить до організмам. Нейтральність мутацій в «каркасі» білка багато в чому визначена його будовою і кодуванням. Еволюція макромолекул відрізняється від еволюційного поведінки організмів.Гомеостаз веде до того що, що чимало шкідливі мутації поводяться як нейтральні. Наприклад, одне з мутацій погіршила властивостібелка-фермента, і він почав переробляти субстрат повільніша. Тоді організм виправить ситуацію якимось чином, то, можливо, збільшить кількості цього ослабленого ферменту.

Математичні моделі можуть невпізнанно змінити уявлення біологів про джерела упорядкованості в еволюції. Адже всі живі організми є суворо упорядкованими системами. Вони мають складними структурами, які підтримували і відтворювали себе завдяки слабко висловленому взаємодії хімічних та процесів.

4. Опишіть процеси виникнення біосфери, хімічної еволюціїпреджизненних форм

Суттєво змінюється біосфера через розвитку життя і «кисневою революції». Стався перехід відпрокариотов доеукариотам. На початку палеозою живе речовина переходить на суходіл, займаючи області з вологим кліматом, формуючи наземні флору і фауну. Маса живої матерії різко зростає, життя проникає й більш глибокі області океанів. Змінюється якісний склад живого, організми починають засвоювати мінеральні речовини на формування свого скелета.Развивающаяся життя змінює і світ навколо себе. Морська вода стає дедаліхлоридно-сульфатной, такі елементи, як Fe,Mn,P, Co,Va, Сі, стали існувати якмалорастворимих, сильно окислених сполук, і концентрація в морській воді різко впала. Багатство кисню знизило рухливість Fe,Mn,P,Va,Cr, Co,Cu,Ni та інших., вони виявилися не лише як суспензій, тому їх поклади може бути поблизу берегів моря. На суші процес накопичення солей відбувався періодично. У океанах формувалисябитуминозние глини, горючі сланці, але в суші вугілля.

Для освіти вугілля більш підходящими були кам'яновугільний і пермський періоди, а післяослабевания процесу утриасе — юрський, крейдової іпалеогенний періоди. Організми використовують для освіти скелетівСаС03 іSi02, що зробив склад морської води лужним. Почали осідати фосфорити, що призвело до появи їх родовищ. Так, під впливом живого речовини океан став іншим, і осадові породи ззакисно-окисних сталиуглисто-карбонатно-галогенними. Еволюція Землі як планети і еволюція живого у ньому були взаємозв'язані й взаємозалежні. На увесь перебіг міграції хімічних елементів у верхніх оболонках Землі дедалі більше — і аж, й опосередковано — впливало живе речовина біосфери.

Зміна образу нашої планети можна оцінити за зміни масштабу сприйняття. Для наочності геолог і мандрівник князьП.Н.Кропоткин створив «сценарій» такого «фільму», коли кожна секунда екранного часу відповідає мільйону років життя Землі. Перші 2 — 3 хв йдуть «кадри» створення світу: з згустку космічному пилу, газу та уламків загиблих світів формується кулясте тіло планети. Наступні 40 хв «фільму» — оповідання про найдавнішому етапі геологічної історії (архейська ера), Земля знайшла первинну атмосферу, у ньому з'явилася життя. Але розвивалася життя досить мляво, і майже залишається такою за 2 млрд років, чи 33,3 хв. Тількипротерозое за 17 хв (1 млрд років) рослинність поширилася з океанів на прибережні ділянки суші; з'явилися хробаки, молюски, трилобіти. Усі розвиток життя (>фанерозой) промайне за 10 хв — «кадри» змінюватимуться із великою швидкістю, змінюватимуться контури материків, рослинність, рельєф, види тварин і звинувачують т.д. Змінюються фізичні поля і атмосфера. А з цих 10 хв історія людини займе лише 2 з.

Хімічна еволюція континентальної частини земної кори проходила від основного, базальтового складу, властивого океанічного типу кори, до кислого, гранітному, і океанічна кора поступово (приблизно 2,5 млрд років тому я) перетворилася на континентальну. Цьому сприяв кілька

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація