Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ

Поздняков А.В.

Согласно второму началу термодинамики, процессы в природе самопроизвольно развиваются в направлении диссипации энергии и роста беспорядка. Данная закономерность относится к числу объективной и всеобщего действия. Однако если не оговаривать условия, то можно прийти к неразрешимому, на первый взгляд, противоречию. Например, почему наряду с процессами диссипации энергии и вещества в системах наблюдаются прямо противоположные процессы, в результате которых мироздание оказывается представленным длительно существующими динамическими, структурными образованиями, представляющими открытые системы, обменивающимися между собой и создаваемой ими средой энергией и веществом [1, 2]. Более того, в этих структурах на Земле возникла жизнь и сознательная созидательная деятельность, приведшая к созданию единственных в своем роде систем «человек-машина».

Если считать, как полагается, что открытые системы объективно стремятся к наиболее вероятному состоянию, характеризующемуся необратимым ростом энтропии, то как объяснить формирование Солнечной системы и бесконечного множества подобных образований в мироздании? Сложные ландшафтные совокупности на Земле, в одних и тех же условиях, не только устойчивы по отношению к внешним воздействиям, но после существенного их изменения и даже уничтожения восстанавливаются в прежнем виде по разнообразию растительных и животных видов и их сообществ, продуктивности и пр., если не меняется субстрат.

Необратимые процессы, если основываться на следствиях второго начала термодинамики, спонтанно направлены к состоянию эквипотенциальности градиентов энергии в системах, по достижении которого они теряют способность совершать работу. Это состояние для них считается конечным. Отсюда следует, что системы могут производить работу только на пути движения к данному состоянию. А чтобы данную систему обратить (возвратить в начальное состояние), необходимо затратить дополнительную энергию, т.е. какой-то другой системе произвести работу, уменьшив свою энергию (иначе, увеличив энтропию собственного состояния).

Существует два больших класса открытых систем: класс самоорганизующихся систем (SS) и класс дезинтегрирующихся систем (DS).

Класс SS при условиях поступления вещества и энергии из среды, постоянно совершают работу, направленную на поддержание своей структуры и устойчивости функционирования. В них, наряду с необратимыми процессами, протекают процессы обратимости, осуществляющиеся за счет непрерывной компенсации теряемой (отдаваемой другим системам) энергии, вещества и информации, получаемой из среды. За счет непрерывного обмена энергией с внешней средой (иначе, с другими системами) SS поддерживают постоянство своих параметров и энтропии, которая, на начальных этапах их формирования и функционирования, не только не растет, но и уменьшается.

Все естественным образом формирующиеся (самоорганизующиеся) системы эволюционируют благодаря постепенному изменению среды обитания и целесообразному изменению структуры систем.

В DS-системах, не обладающих функциями саморегуляции на основе обратной отрицательной связи, протекают необратимые процессы, которые, согласно второму началу термодинамики, направляют их к некоему конечному состоянию - дезинтеграции до первичных элементов, используемых самоорганизующимися системами.

Состояние термодинамического равновесия относится к числу научной абстракции, подобной первому закону Ньютона. Никогда и нигде в мироздании не могут создаться условия, при которых тела находились бы в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Этого не происходит, поскольку одновременно во всем мироздании, благодаря имманентным свойствам веществ обладать массой, энергией и гравитационным взаимодействием, происходит их спонтанное объединение в структурные эмерджентные целостности.

Можно полагать, что количество порядка и беспорядка в мироздании - величина постоянная, поскольку постоянной является масса материи. Порядок переходит в хаос, но и хаос переходит в порядок. Причина взаимопереходов хаос-порядок состоит в том, что материя обладает имманентным свойством взаимодействия, обусловливающим движение. Причем движение не прекращается ни тогда, когда материя собирается в целое, ни когда она делится на части. Первопричиной движения является гравитация. Благодаря ее действию материя, собираясь в целое, из холодного состояния переходит в горячее; делясь на части - из горячего состояния переходит в холодное.

Таким образом, в развитии материи, вселенной в целом действуют два противоположно направленных процесса. Один из них характеризуется вторым началом термодинамики - действием фундаментальной асимметрии в природе, объективно предполагающей движение к статическому равновесию, хаосу в виде так называемой "тепловой смерти". Другой, в основном вследствие законов гравитационного и электромагнитного взаимодействия, предполагает обратное направление - к формированию порядка в виде самоорганизующихся целостностей - систем, в свою очередь способных порождать не только гравитационные и электрические силы, но и тепло, и связанную с системой энергию. В результате данного процесса осуществляется аккумуляция частиц в крупные космические тела: звезды, планеты, которые производят энергию и вещество, выделяемые в пространство, что предполагает образование новых системных целостностей.

Операционально замкнутые самоорганизующиеся структуры и циклы их развития Самоорганизующиеся системы представляют собой парные образования: если формируется система Х(t), то вместе с ней формируется и ее сателлит система Y(X,t). Для Y(X,t) система Х поставляет энергию и определяет пространственные границы развития и время существования. Динамика системы, как бинарной структуры, осуществляется, с одной стороны, за счет поступления вещества и энергии из среды, а с другой, вследствие обмена ими между составляющими ее подсистемами. Потоки энер-гии, вещества и информации (MEI), потреб-ляемые системой X из среды, нами названы F-потоками, а объективно отдаваемые системе Y - D-потоком. Таким образом, любую систему, включая и социально-экономическую, можно рассматривать на основе балансовых само-регулирующихся отношений в системе «ресурс-потребитель» [1, 3].

Понятие «геосистема» GS объединяет все самоорганизующиеся и саморазвивающиеся структуры на Земле: различного типа геолого-геоморфологические структуры; биокосные - биогеоценозы (экосистемы); социально-экономические, геосистемы «человек-машина» и пр. Любая целостная структура (в том числе и техническая, если она рассматривается вместе с ее создателем - человеком) образует парную, бинарную структуру.

Составляющие GS подсистемы X и Y находятся в функциональной зависимости от выходных характеристик. Система Y всегда стремится по своей величине к X, и, по существу, ее величина выступает в качестве обратной отрицательной связи, замедляющей и стабилизирующей рост вещества, энергии и информации в системе XY.

В дифференциальной форме данная закономерность записывается в следующем виде [2, 4]:

dM/dt=Q(M,V,t) - q(M,t),

где M - выходные характеристики системы (по объему, массе численности и пр.); Q- расход MEI, идущий на формирование GS; V- емкость среды (экологическая емкость); q - расход MEI в D-потоке, создаваемом системой Y; t- время.

Слагаемое Q(M,V,t) характеризует процесс накопления MEI в системе Х, асимптотически затухающего по мере заполнения емкости V или в связи с уменьшением поступающих из среды MEI. Слагаемое q(M,t) характеризует процесс накопления MEI сателлитом Y, который тоже происходит с замедлением по мере заполнения емкости, но создаваемой системой Х. Таким образом, сателлит Y ингибирует развитие геосистемы, выступает в качестве обратной отрицательной связи. А взаимодействие составляющих GS элементов (подсистем) X(t), Y(t) и (St) направлено к установлению баланса расходов MEI, характеризующего динамически равновесный режим развития. Этот режим на фазовой плоскости соответствует предельному циклу - аттрактору. Все фазовые траектории, расположенные внутри предельного цикла, характеризуют объективную направленность к диссипации MEI, в соответствии со вторым началом термодинамики; а траектории на внешней его стороне соответствуют активизирующемуся расходу MEI в F-потоке и восстановлению системы. Благодаря этому система переходит в режим установившегося автоколебания, не выходящего по амплитуде за некоторые границы, обусловленные процессами, происходящими как в системе, так и в среде.

Спонтанное стремление к равновесию в процессе самоорганизации сложных структур очень ярко проявляется в различных процессах, и не только на Земле, но и при формировании планет.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Поздняков А.В. Стратегия российских реформ. Томск: Спектр, 1998. 320 с.
  2. Поздняков А.В. Самоорганизация целостных систем как результат спонтанного стремления к равновесию // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 1. С. 101-109
  3. Поздняков А.В. Механизм закручивания газо-пылевой туманности в спираль и формирование солнечной системы // Самоорганизация геоморфосистем. Томск / КТИ «Оптика» СО РАН, 1994. С. 23-37.
  4. Поздняков А.В. Динамическое равновесие в рельефообразовании. М.: Наука, 1988. 207 с.

Библиографическая ссылка

Поздняков А.В. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ // Успехи современного естествознания. – 2007. – № 8. – С. 60-62;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=11419 (дата обращения: 22.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074