Реферати українською » Биология » Концепція необоротності й термодінаміка. Самоорганізація у відкрітіх системах


Реферат Концепція необоротності й термодінаміка. Самоорганізація у відкрітіх системах

Концепціюнеоборотності ітермодинаміка

 

>Найбільшрізкепротиріччя о 19-йстоліттівиникломіжколишньоюфізикою іеволюційноютеорієюДарвіна.Якщо,наприклад, умеханіку усіпроцесипредставляютьсяоборотними,позбавленимисвоєїісторії ірозвитку, тотеоріяДарвінапереконливо довела, щоновівидирослин йтваринвиникають уходіеволюції врезультатіборотьби заіснування. Уційборотьбівиживають тихорганізми, котрівиявляютьсякращепристосованими до умів, щозмінилися,навколишньогосередовища. Отже, уживійприроді усіпроцесиєнеоборотними. Ті жсаме можнасказати впринципі і просоціально-економічні,культурно-історичні ігуманітарнісистеми,хочаеволюція вприродівідбуваєтьсязначноповільніше, ніж усуспільстві.

>Фізиканаближалася додозволу зазначеноговищепротиріччя черезперегляд йстворення рядупроміжнихконцепцій,однієї із якієідея проеволюцію систем, але й неубікпосиленняїхньоїорганізації іскладності, анавпроти, -убікдезорганізації іруйнування систем.

 

>Поняття годині накласичнійтермодинаміці

Довиникненнятермодинамікипоняття години посуті було бвідсутнє вкласичнійфізиці втімвиді, уякому воно тарозглядається в реальномужитті і у науках, щовивчаєпроцеси, щопротікають учасі імає своюісторію. Хоча вякостізмінної годину укладатиусірівняннякласичної іквантовоїмеханіки,проте воно та невідбиваєвнутрішнізміни, котрівідбуваються всистемі.Саме тому врівнянняхфізики його знак можнаміняти назворотний,тобтовідносити його якмайбутньому, то й доминулого.

>Положенняістотнозмінилося после того, якфізикавпритулзайняласявивченнямтепловихпроцесів,закони які булисформульовані вкласичнійтермодинаміці.Якщоколишнядинамікаописувалазакони рухутіл подвпливомзовнішніх сил,свідомовідволікаючись відвнутрішніхзмін, щовідбуваються вмеханічних системах, тотермодинаміказмушена бувдосліджуватифізичніпроцеси прирізнихперетворенняхтепловоїенергії. Однак вон неаналізуєвнутрішнюбудовутермодинамічних систем, якцеробитьстатистичнафізика, щорозглядає теплоту якбезладний рухвеличезного числа молекул.

>Термодинамікавиникла ізузагальненнячисленнихфактів, щоописуютьявищапередачі,поширення іперетворення тепла. Самимочевиднимє тієї факт, щопоширення теплаявляє собоюнеоборотний процес. Добревідомо,наприклад, що тепло, щовиникло врезультатітертя чивиконанняіншоїмеханічної роботи, не можназновуперетворити венергію іпотімвикористовувати длявиробництва роботи. Неменшвідомо, що теплопередається відгарячоготіла до холодного, а чи ненавпаки.

Зіншого боці, шляхомточнихекспериментів було б доведено, щотепловаенергіяперетворюється вмеханічнуенергію у суворопевнихкількостях.Існування такогомеханічногоеквівалента длятеплотисвідчило проїїзбереження.Всіцічисленніфакти ізнайшлисвоєузагальнення ітеоретичнепояснення законівкласичноїтермодинаміки:

>Якщо досистемипідводить теплоQ й над неювиробляється робота W, тоенергіясистемизростає довеличини U: U=Q + W.

>Цюенергіюназиваютьвнутрішньоюенергієюсистеми, й вонапоказує, що тепло,отриманесистемою, незникає, азатрачається на збільшеннявнутрішньоїенергії івиробництво роботи,тобтоQ=U-W.

>Процес,єдиним результатомякого було б бвилучення тепла із резервуара,неможливий.

>Наведеніформулюваннявідбивають зв'язку, котрііснуютьміжтепловоюенергією іотриманої заїїрахунокроботою. Упершомузаконі мовайде прозбереженняенергії, у іншому - пронеможливістьвиробництва роботивинятково зарахуноквилучення тепла із одного резервуара припостійнійтемпературі.Наприклад, не можназробити роботу зарахунокохолодження озера, моря чиіншого резервуара присталійтемпературі. Таким чином,другий закон, чи вушкотермодинаміки, можнасформулюватипростіше, якупершецезробивфранцузький навчаньСадиКарно (1796-1832).

>Неможливоздійснити процес,єдиним результатомякого було б бперетворення тепла в роботу припостійнійтемпературі.

>Інодіцей законвиражають уще болеепростійформі:

Тепло неможеперетектимимовільно від холодноготіла догарячого.

>Надалінімецькийфізик РудольфКлаузиус (1822-1888)використовував дляформулювання іншого законутермодинамікипоняттяентропії, щозгодомавстрійськийфізикЛюдвігБольцман (18441906)інтерпретував утермінахзміни порядку всистемі. Коліентропіясистемизростає, товідповіднопідсилюєтьсябезладдя всистемі. У такомувипадкудругий законтермодинамікипостулює:

>Ентропіязамкнутоїсистеми,тобтосистеми, що необмінюється ізоточенням аніенергією аніречовиною,постійнозростає.

Ацеозначає, щотакісистемиеволюціонуютьубік збільшення у якихбезладдя, хаосу ідезорганізації,поки недосягнутькрапкитермодинамічноїрівноваги, уякійусякевиробництво роботистаєнеможливим.

Ос-кільки прозміну систем укласичнійтермодинаміці миможемосудити позбільшеннюїхньоїентропії, тіостання івиступає яксвоєріднастріла години. Умеханічних процесів ані проякийреальний годину говорити не доводитися.Задавши у якихпочатковий стан (>координати іімпульси), можна,відповідно дорівнянь руху, однозначновизначитибудь-якийіншийїї стан умайбутньому чиминулому. Тому годину вонивиступає просто як параметр, знакякого можнаміняти назворотний, й втакийспосібповернутися допервісного станусистеми.Нічогоподібного незустрічається втермодинамічних процесів, котрієнеоборотними посвоїйприроді.

>Термодинамікавперше запровадила уфізикупоняття годині надоситьсвоєріднійформі, асаменеоборотногопроцесузростанняентропії всистемі.Чимвищеентропіясистеми, тімбільшийчасовийпроміжокпройшла система усвоїйеволюції.

Вочевидь, щотакепоняття про годину й особливо проеволюціюсистемидокорінновідрізняється відпоняттяеволюції, що лежало замкнене восновітеоріїДарвіна. У тієї годину як ударвінівськійтеоріїпоходження новихвидіврослин йтварин шляхом природногодоборуеволюціяспрямована навиживання понадзробленихорганізмів йускладненняїхньоїорганізації, утермодинамікуеволюціязв'язувалася іздезорганізацією систем. Цепротиріччязалишалосянедозволеним аж до 60-х рр.нашогостоліття,поки нез'явилася нова,нерівновагатермодинаміка, щоопирається наконцепціюнеоборотнихпроцесів.

>Класичнатермодинамікавиявиласянездатноївирішити ікосмологічніпроблеми характерупроцесів, щовідбуваються уВсесвіті.Першуспробупоширитизаконитермодинаміки наВсесвітпочав один ззасновниківцієїтеорії - Р.Клаузиус, щовисунув двапостулати:

-енергіяВсесвітузавждипостійна;

-ентропіяВсесвітузавждизростає.Якщоприйнятидругий постулат, тонеобхідновизнати, що усіпроцеси уВсесвітіспрямованіубікдосягнення станутермодинамічноїрівноваги, щовідповідає максимумуентропії, аотже, стану, характерногонайбільшимступенем хаосу,безладдя ідезорганізації. У такомувипадку уВсесвіті наступититеплова смерть йніякакорисна робота внійзробити якщо не можна.Такіпохмуріпрогнозизустріликритикові із боці рядувидатнихучених йфілософів, але й всерединіминулогостоліття було бще малонауковихаргументів дляспростування думи Р.Клаузиуса іобґрунтування альтернативногопогляду.Деякіавториприпускали, щопоряд ізентропийнимипроцесами вприродівідбуваютьсяантіентропийніпроцеси, котріперешкоджаютьнастанню «>теплової смерти» уВсесвіті.Іншівисловлювалисумнів управомірностіпоширення зрозумітитермодинаміки,зокремаентропії, із окремих систем наВсесвіт уцілому. Алі лишеодиницідогадувалися, щосамепоняттязакритої, чиізольованої,системиє далеко, щойдеабстракцією, що невідбиваєреальний характер систем, котрізустрічаються вприроді.

>Відкритісистеми і новатермодинаміка

Навідміну відзакритих, чиізольованих,відкритісистемиобмінюються ізнавколишнімсередовищеменергією,речовиною іінформацією.Всіреальнісистемиєсамевідкритими. Унеорганічнійприроді смердотіобмінюються ззовнішнімсередовищем, щотакожскладається ізрізних систем, щоволодіютьенергією іречовиною. Усоціальних йгуманітарних системах до цогододаєтьсяобмінінформацією.Інформаційнийобмінздійснюєтьсятакож убіологічних системах,зокрема припередачігенетичноїінформації.

Увідкритих системахтакожвиробляєтьсяентропія,оскільки у якихвідбуваютьсянеоборотніпроцеси, але йентропія вцих системах ненакопичується, як узакритих системах, авиводиться внавколишнєсередовище. Ос-кількиентропіяхарактеризуєступіньбезладдя всистемі,остільки можнасказати, щовідкритісистемиживуть зарахунокзапозичення порядку ззовнішньогосередовища.

 

>Відкритісистеми інерівновагатермодинамікі

>Класичнатермодинаміка усвоємуаналізі системзначноюміроюабстрагувалася відїхньоїреальноїскладності,зокрема,відволікалася відїхньоївзаємодії ззовнішнімсередовищем. Томуїївихіднепоняттязакритої, чиізольованої,системи невідбивалодійсногоположення промов й призводило допротиріччя із результатамидосліджень убіології ісоціальних науках.Дійсно,еволюційнатеоріяДарвінасвідчила, щоживаючи природарозвивається в напрямівдосконалення іускладнення новихвидіврослин йтварин. Історія,соціологія,економіка ііншісоціальні ігуманітарні наукипоказували, що всуспільстві, Незважаючи наокремізиґзаґи і рух тому вціломуспостерігаєтьсятакожпрогрес.

Напротивагу цьомукласичнатермодинаміказатверджувала, щофізичні ііншісистеминеживоїприродиеволюціонують у напряміпосиленняїхньогобезладдя,руйнування ідезорганізації. У такомувипадкуставалонезрозумілим,яким чином ізнеживоїприроди,системиякоїмаютьтенденцію додезорганізації, моглаз'явитисяколи-абоживаючи природа, десистеми,навпроти,прагнуть довдосконалювання іускладненнясвоєїорганізації. Усіцепоказувало, щорезультатидослідженнякласичноїтермодинамікиперебували в явномупротиріччі із тім, що було б гарновідомо ізбіології,історії,соціології ііншихсуспільних наук.

>Важливотакожпідкреслити, що сампоняття години іеволюціїпо-різномуінтерпретувалися вколишнійтермодинаміці, із самогобіології,соціології іісторії, ізіншої.Справді, так кликанастріла годинизв'язувалася втермодинамікузізростанняментропіїсистеми, ізпосиленнямїїбезладдя ідезорганізації, тоді як убіології ісоціології вонарозглядалася,навпаки, ізпоглядустановлення іудосконалюваннясистеми, збільшення вній порядку іорганізації.Якщоеволюція внеживійприродівитлумачувалася якпоступовий рух систем доїхньогоруйнування ідезорганізації, тоживійприроді,навпаки, якповільнийпоступальний рух допосиленняорганізації систем,їхньомувдосконалюванню іускладненню.Недарма жнезабаром после того як бувсформульованийдругий вушкотермодинаміки,з'явилисяпохмуріпрогнози про «>теплову смерть»Всесвіту.

Учому жполягають заподій такогопротиставленняточокзору напоняття години іеволюції? як можна було б Дозволитипротиріччя, щовиникломіжподаннямикласичноїтермодинаміки ібіології,соціології іісторії? Вочевидь, що для цогонеобхідно було бпереглянути тихвихідніпоняття іпринципи, якідотримувалася стара,класичнатермодинаміка, бо смердоті невідповідалидійсності, нашимспостереженням, атакож результатамдосліджень убіологічних йсоціальних науках.Досвід й практична діяльністьсвідчили, щопоняттязакритої, чиізольованої,системиявляє собою далеко, щойдеабстракцію, й тому воназанадтоспрощуєдійсність,оскільки внійважко чинавітьнеможливознайтисистеми, котрі б невзаємодіяли ізнавколишнімсередовищем, щоскладаєтьсятакож з систем. Тому вновійтермодинаміцімісцезакритої,ізольованої,системизайнялопринциповоіншефундаментальнепоняттявідкритоїсистеми, щоздатнаобмінюватися ізнавколишнімсередовищемречовиною,енергією іінформацією.

>Одне ізпершихвизначень цогопоняттяналежитьвидатномуавстрійськомуфізиковіЕрвинуШредингеру (1887-1961), щосформулював його усвоїйкнизі «Колитаке життя? Зпоглядуфізика». Унійвін ясновказав, щозаконифізики лежати восновіутвореннябіологічних структур, йпідкреслив, що характерна рисубіологічних системскладається вобмініенергією іречовиною ізнавколишнімсередовищем.Він писавши:

>Засіб, задопомогоюякогоорганізмпідтримує собіпостійно надоситьвисокомурівнівпорядкованості (>дорівнює надоситьнизькомурівніентропії), удійсностіскладається вбезперервномувитягувпорядкованості ізнавколишнього йогосередовища.

>Взаємодіючи зсередовищем,відкрите система має неможезалишатисязамкнутої, бо воназмушеназапозичитиззовні чиновуречовину чисвіжуенергію іодночасновиводити всередовищевикористанаречовина івідпрацьованаенергія.

Алі навідміну відзакритих системцяентропія, щохарактеризуєступіньбезладдя всистемі, ненакопичується вній, авіддаляється внавколишнєсередовище. Цеозначає, щовикористана,відпрацьованаенергіярозсіюється внавколишнімсередовищі ізамістьїї зсередовищавитягає нова,свіжаенергія,здатнаробитикорисну роботу.

Такого родуматеріальніструктури,здатнірозсіювати,енергію,називаютьсядисипативними.Звідсистаєясним, щовідкрита система має неможе бутирівноважної, боїїфункціонуваннявимагаєбезперервногонадходження ззовнішньогосередовищаенергії чиречовини,багатогоенергією. Урезультатітакоївзаємодії система, якуказуєШредингер,витягає порядок ізнавколишньогосередовища і тім самим вноситибезладдя вцесередовище.

Вочевидь, що ізнадходженнямновоїенергії чиречовининеравноважність усистемізростає. У залишковомупідсумкуколишнійвзаємозв'язокміжелементамисистеми, щовизначаєїї структуру,руйнується.Міжелементамисистемивиникаютьновізв'язки, котріприводять докооперативнихпроцесів,тобто доколективногоповодженняїїелементів. Так схематичноможуть бутиописаніпроцесисамоорганізації увідкритих системах.

>Наочноюілюстрацієюпроцесівсамоорганізаціїможеслужити робота лазера, задопомогоюякого можнаодержуватипотужніоптичнівипромінювання. Невдаючись удеталі йогофункціонування,відзначимо, щохаотичніколивальнірухитридцятилітніх йогочастокзавдякинадходженнюенергіїззовні, придостатній його «>накачуванні»приводяться впогоджений рух.Вонипочинаютьколиватися воднаковійфазі івнаслідок цогопотужність лазерноговипромінюваннябагаторазовозбільшується.Цей прикладсвідчить, що врезультатівзаємодії зсередовищем зарахунокнадходженнядодатковоїенергіїколишнівипадковіколиванняелементівтакоїсистеми, як лазер,перетворюються вкогерентний,погодженийколективний рух. Наційосновівиникаютькооперативніпроцеси івідбуваєтьсясамоорганізаціясистеми.

>Вивчаючипроцесисамоорганізації, щовідбуваються влазері,німецькийфізик ГерманХакен (р. 1927) назвавшиновийнапрямокдослідженьсінергетикою, що вперекладі іздавньогрецькогоозначаєспільнудію, чивзаємодія, й добропередаєзміст йціль новогопідходу довивченняявищ.

>Іншим прикладомможеслужитисамоорганізація, щовиникає вхімічнихреакціях. Але вони вонапов'язана ізнадходженнямззовні новихреагентів,тобторечовин, щозабезпечуютьпродовженняреакції, із одного боці, йвиведення внавколишнєсередовищепродуктівреакції, ізіншоїсторони.Зовнісамоорганізаціяпроявляється тут упояві врідкомусередовищіконцентричниххвиль чи вперіодичнійзмініцвітурозчину,наприклад, зсинього начервоний й тому («>хімічнігодинники»).Ціреакціївперше булиекспериментальновивченівітчизнянимивченими Б.Белоусовим й А.Жаботинським. Наїхнійекспериментальнійосновібельгійськимивченими начолі І. Р.Пригожиним (>росіянином попоходженню, р. 1917 р.) бувпобудованатеоретична модель, названабрюсселятором (поім'юстолиціБельгії - Брюсселя).Ця модельлягла основоюдослідженьновоїтермодинаміки, що частоназиваютьнерівновагою, чинелінійної. яквідзначає І. Р.Пригожин:

>Перехід відтермодинаміки (>вірнішетермостатики)рівноважнихстанів дотермодинамікинерівновагихпроцесів,безсумнівно,знаменуєпрогрес урозвитку рядугалузей науки.

Прорівновагу інерівновагу систем вжеговорилося.Пояснимо, щорозуміється поднелінійністю втермодинаміку ітеоріїсамоорганізаціївзагалі.Відмітна рису моделей, щоописуютьвідкритісистеми іпроцесисамоорганізації,полягає до того, що у якихвикористовуютьсянелінійніматематичнірівняння, у котрівходятьзмінні вступенівищепершої (>лінійної). Хочалінійнірівняння ідотепер частозастосовуються уфізику і точномуприродознавстві вцілому, смердотівиявляютьсянеадекватними дляописувідкритих систем чи ж придоситьінтенсивнихвпливах насистеми.Саме ізподібними системами іпроцесамимає справа новатермодинаміка і томуїїнерідконазиваютьнелінійною.

 

>Самоорганізація увідкритих системах

>Відкриттясамоорганізації внайпростіших системахнеорганічноїприроди,насамперед уфізику іхімії,маєвеличезненаукове іфілолофсько-світогляднезначення.Вонопоказує, щотакіпроцесиможутьвідбуватися біля «>будинкуматерії», й тім самимпроливаєновесвітло навзаємозв'язокживоїприроди ізнеживий. З такогопоглядувиникнення життя на землі нездаєтьсятепер такимрідким йвипадковимявищем, як проце говорили багатовченихраніше. Зпозиціїсамоорганізаціїстаєтакожясним, що весьнавколишній нас світ йВсесвітявляють собоюсукупністьрізноманітнихпроцесів, щосамоорганізуються, котрієосновоюбудь-якоїеволюції.

як жпояснюєсучасна наука, йзокрема,сінергетика процессамоорганізації систем?

1. Для цого система винна бутивідкритої, бозакрита,ізольована система увідповідності з іншим закономтермодинаміки в залишковомупідсумку винна завітати у стан,характеризуємомаксимальнимбезладдям чидезорганізацією.

2.Відкрита система виннаперебуватидосить далеко відкрапкитермодинамічноїрівноваги.Якщо системаперебуває вкрапцірівноваги, то вонмаємаксимальнуентропію і томунездатне доякої-небудьорганізації: у цьомуположеннідосягається максимумїїсамодезорганізації.Якщо ж системарозташованапоблизу чи недалеко відкрапкирівноваги, тозгодом вонанаблизиться донеї ізрештою Прийде до лавповноїдезорганізації.

3.Якщо принципом, щовпорядковує, дляізольованих системєеволюціяубік збільшенняїхньоїентропії чипосиленняїхньогобезладдя (принципБольцмана), тофундаментальним принципомсамоорганізації служити,навпроти,виникнення іпосилення порядку черезфлуктуації.Такіфлуктуації, чивипадковівідхиленнясистеми віддеякогосередньогоположення, на самому початкупридушуються іліквідуютьсясистемою. Однак увідкритих системахзавдякипосиленнюнеравноважностіцівідхиленнязгодомзростають йзрештоюприводять до «>розхитування»колишнього порядку івиникненню нового порядку.

>Цей процесзвичайнохарактеризують як принципутворення порядку черезфлуктуації. Ос-кількифлуктуаціїносятьвипадковий характер (асаме: із нихпочинаєтьсявиникнення нового порядку іструктури), тістаєясним, щопоява нового у світізавждипов'язане іздієювипадковихфакторів. У цьомувисновкузнаходитьсвоєконкретнепідтвердженнягеніальнийздогадантичнихфілософівЕпікура (341-270 дон.е.) йЛукреція Кара (99-45 дон.е.), щовимагаладопущеннявипадковості дляпоясненняпояви нового континенту врозвитку світу.

4. Навідміну від принципу негативногозворотного зв'язку, наякомуґрунтуєтьсякерування ізбереженнядинамічноїрівноваги систем,виникненнясамоорганізаціїопирається надіаметральнопротилежний принцип -позитивнийзворотнийзв'язок.Функціонуваннярізнихтехнічнихрегуляторів йавтоматівґрунтується напринципі негативного зв'язку,тобтоодержаннізворотнихсигналів відвиконавчихорганівщодоположеннясистеми інаступногокоректування цогоположеннякеруючимипристроями. Длярозуміннясамоорганізації вартозвернутися до принципу позитивногозворотного зв'язку,відповідно доякогозміни, щоз'являються всистемі, неусуваються, анавпроти,накопичуються іпідсилюються, що і приводитизрештою довиникнення нового порядку іструктури.

5.Процесисамоорганізації, як й переходь від одних структур доінших,супроводжуютьсяпорушеннямсиметрії.Процесисамоорганізації,пов'язані ізнеоборотнимизмінами,приводять доруйнування старих йвиникненню нових структур.

6.Самоорганізаціяможепочатисялише в системах, щоволодіютьдостатньоюкількістювзаємодіючихміж собоюелементів й,отже, щомаєдеякікритичнірозміри. У огидноговипадкуефекти відсінергетичноївзаємодії будутьнедостатні дляпояви кооперативного (>колективного)поводженняелементівсистеми і тім самимвиникненнясамоорганізації.

Миперелічилинеобхідні, але й далеко ще не усіумови длявиникненнясамоорганізації врізних системахприроди.Навіть ухімічних системах, щосамоорганізуються, котрівивчали Бєлоусов йЖаботинський, в «>гру»вступаютьтакіновіфактори, якпроцесикаталізу, котріприскорюютьхімічніреакції. Тому можназробитивисновок, щочимвище мипіднімаємося поеволюційнимсходамрозвитку систем, тім болеескладними йчисленнимивиявляютьсяфактори, котрівідіграють роль усамоорганізації.


>Література

1.АскинЯ.Ф. Проблема часу. Її фізичне тлумачення. – М., 1986.

2.Ахундов М.Д.Концепціїпростору і години:джерела,еволюція,перспективи, - До., 1992.

3.КСЕ. Для студентів вузів. –Р.-на- Д., 1997

4. Осипов А.І.Простір й годину яккатегоріїсвітогляду ірегуляторипрактичноїдіяльності. – До., 1989.

5. Основифілософії. //за ред.О.Г.Спиркіна - До., 1993.


Схожі реферати:

Навігація