ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, термодинамические системы, к-рые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному типу О. с. относятся хим. системы, в к-рых непрерывно протекают хим. реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологич. системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые хим. системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физ. и хим. кинетики.

Наиболее простыми являются свойства О. с. вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамич. равновесия мало и её состояние изменяется медленно, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: темп-рой, хим. потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и систем в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О. с. в неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии.

Отклонения термодинамич. параметров от их равновесных значений (термодинамические силы) вызывают в системе потоки энергии и вещества (см. Переноса явления). Происходящие процессы переноса приводят к росту энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени наз. производством энтропии.

Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному максимальному значению, а производство энтропии - к нулю. В отличие от замкнутой системы, в О. с. возможны стационарные состояния с постоянным производством энтропии, к-рая должна при этом отводиться от системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей хим. реакций и переноса реагирующих веществ и энергии. При таком "проточном равновесии" производство энтропии в О. с. минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О. с. такую же роль, какую играет термодинамич. равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О. с. в этом состоянии удерживается постоянной, т. к. её производство компенсируется отводом от системы, но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму, как в изолированной системе.

Наиболее интересные свойства О. с. выявляются при нелинейных процессах. При таких процессах в О. с. возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамич. равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), к-рую наз. диссипативной, т. к. её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образований структур исследуются на основе уравнений кинетики химической: баланса скоростей хим. реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакции. Накопление в О. с. активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь: ускорение реакции под воздействием либо её продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому, как в колебательном контуре с положительной обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в хим. О. с. с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции. Автокаталитич. реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным пространственным неоднородным распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью на макроскопич. уровне). Характер структур определяется конкретным типом хим. реакций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного характера.

Теория О. с. важна для понимания физико-хим. процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм представляет собой устойчивую саморегулирующуюся О. с., обладающую высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне. Подход к живым системам как к О. с., в к-рых протекают нелинейные хим. реакции, открывает новые возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на ранних этапах возникновения жизни.

Теория О. с. является частным случаем общей теории систем, к к-рым относятся, напр., рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико-хим. и био-логич. О. с. Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования.

Лит.: Шредингер Э., Что такое жизнь? С точки зрения физика, пер. с англ., 2 изд., М., 1972; Г рост С., М а з у р П., Неравновесная термодинамика, пер. с англ., М., 1964; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967; Гленедорф П., Пригожий И., Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации, пер. с англ., М., 1973; П а н ч е н к о в Г. М., Л е б е д е в В. П., Химическая кинетика и катализ, М., 1961; П а с ы н с к и и А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; Волькенштейн М. В., Биология и физика, "Успехи физических наук", 1973, т. 109, в. Э; Пригожий И., Н и к о л и с Ж., Биологический порядок, структура и неустойчивости, там же; Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. с англ., М., 1973. Д. Н. Зубарев.