Системите

Ред или хаос?

В нашия свят има и регулярност и хаос:

  • движението на планетите, махалото, влакове, движещи се по разписание и от друга страна:
  • хаотичното подскачане на топчето в рулетката, брауновото движение на частиците, турбулентните вихри, образуващи се при течения с достатъчно голяма скорост.

Явленията, за които е характерна подреденост, могат да се опишат с голяма доза определеност с линейни уравнения, а хаотичните явления – със системи нелинейни уравнения ( променливата време t е със степен > 1).

Резултатът от хаотичните явления се определя много трудно – прогнозите за времето често се разминават с действителността , а линейните процеси се предсказват лесно – влакът би трябвало да пристигне в точния час.

И ние, и света около нас са нелинейни системи и сме в състояние на хаос. ( За ползата от хаоса може да прочетете повече тук.) От друга страна, животът е високоорганизирана и структурирана материя, намаляваща ентропията.

На самоорганизация са способни откритите неравновесни системи, обменящи енергия с външната среда. Еволюцията на такива системи може да се разглежда като преход хаос->неустойчивост->ред. В точките на неустойчивост системата става самоуправляема, самоорганизираща се.

Що е то система?

Всеки човек има понятие за система, но все пак мисля, че е уместно да представя определение:

Системата е съвкупност от елементи, подредени по определен начин и свързани с определени отношения.

Системна структура – начинът на организация на елементите и характера на връзките между тях.

Можем да си представим обкръжаващия ни свят като стройна система, състояща се от по-елементарни системи, намиращи се на определен етап на еволюция, и възникнала в момента на Големия взрив, от точката на сингулярност.

Такива системи са: клетката, човешкия организъм и неговите органи, колектив, държава, човечество, Слънчева система и т.н. По нива на взаимодействие с обкръжаващата ги среда термодинамичните системи е прието да се делят на:

Изолирани системи

Определение: Отношение към ентропията, самоорганизация: Примери:

За всеки процес в изолирана система ентропията на крайното състояние не може да е по-малко от ентропията на началното състояния.

S 0

Състоянието с максимална ентропия е най-устойчивото състояние на изолираната система. Самопроизволните процеси в изолираните системи водят винаги до нарастване на ентропията. Системата еволюира до равновесно състояние.

  • термос, в който е затворена топла течност
  • смесване
  • замърсяване
  • разтваряне
  • взаимната дифузия.

За пример от химията може да послужи коя да е позната от училище реакция: сливат се А и В, минава някакво време – получава се продукта C, реакцията завършва и системата е в състояние на равновесие.

Процесите са необратими.

Изолирани са системите, чиято енергия, маса и обем не се изменят, т.е. те не обменят с окръжаващата ги среда нито вещество, нито енергия.


Затворени системи

Определение: Отношение към ентропията, самоорганизация: Примери:

Температурата на затворените системи се поддържа постоянна за сметка на топлообмена с външната среда.

При затворените системи, при някои самопроизволни процеси, ако S < 0 е възможна консервативна самоорганизация.

  • разтваряне и рекристализация.
  • подреждането на частици с магнитни свойства в магнитно поле. Най-подредено състояние в системата се достига при ниски температури и силни магнитни полета. Топлинното движение на молекулите нарушава реда. При състояние на равновесие реда и безпорядъка се конкурират един с друг.
Затворените системи обменят с външната среда само енергия.

Всички системи в реалния свят са свързани с потоци от енергия и вещества с обкръжаващата го среда. Същото може да се каже и за нелинейността – тя е навсякъде.

Отворени системи

Определение: Отношение към ентропията, самоорганизация: Примери:

S<< 0

Възможна е дисипативна самоорганизация.

  • Поведението на фотоните в лазерите;
  • Поведението на течностите в турбулентен режим;
  • Клетките на Бенар;
  • Вълните в плазмата;
  • Динамиката на биологичните популации;
  • Химически колебателни реакции (Белоусов -
    Жаботинский );

Процесите са обратими.

Отворените системи са с променлив брой частици, обменящи с окръжаващата ги среда и вещества, и енергия.

Откритите системи, в които се наблюдава нарастване на ентропия, се наричат дисипативни. В такива системи енергията на подреденото движение преминава в енергия на недреденото хаотично движение, в топлина. Ако затворената система (хамилтонова система), се изведе от състояние на равновесие, тя винаги се стреми отново към максимум ентропия, то в откритите системи оттока на ентропия може да се уравновеси и има вероятност от възникнване на стационарно състояние. Ако оттокът ентропии превиши вътрешния й ръст, то възникват и се разрастват до макроскопично ниво крупномащабни флуктуации, а при определени условия в системата започват да е случват самоорганизационни процеси, създаване на подредени структури.

Неравновесната термодинамика

Неравновесната термодинамика е наука, изучаваща термодинамичните състояния далече от състоянието на равновесие. Отнася се към класическата термодинамика така, както теорията на относителността към нютоновата физика, тоест не отменя класическата термодинамика, а я допълва и при приближаване до точката на равновесие преминава в нея (така както теорията на относителността преминават в класическа физика при скорости, далече от светлинните).

Според класическата термодинамика, всяка система се стреми към някакъв термодинамичен минимум, или казано по друг начин – точка на равновесие. Но така е само когато сме близо до състоянието на равновесие и стремежа към него е силен (както да пуснеш топче в конусовидна чаша). В закритите системи равновесната точка е максималната ентропия, и колкото и да е далече от нея системата, тя рано или късно ще стигне до нея.

В откритите системи се получават странни неща. Далече от състоянието на равновесие за възможни (макар и редки) такива състояния, които са устойчиви, и попадайки в тях, системата остава стабилна. Ако тогава приложим към системата в такова състояние флуктуация, то тя може да се върне в текущото устойчиво състояние, но може да премине в друго, а може и да рухне надолу, към равновесието на класическата термодинамика.

В такива точки системата проявява своя неизрасходван потенциал в абсолютно самопроизволни подреждания. Те могат да са пространственни – като клетките на Бенара, а могат и да са регулярни (подреждания по време) като реакцията на Белоусов-Жаботински.

Прочети още ...

Теория на хаоса и катастрофите

Вашият коментар

Or

Вашият email адрес няма да бъде публикуван Задължителните полета са отбелязани с *

*


Можете да използвате тези HTML тагове и атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>