Вопрос 14

Открытые и замкнутые системы. Обратимые и необратимые процессы.

Это есть в 13 вопросе.

Вопрос 15

Самоорганизация в открытых системах. Условия, необходимые для возникновения процессов самоорганизации.

Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы – открытые. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. В биологических системах информационный обмен осуществляется, в частности, передачей генетической информации.

Понятие закрытой или изолированной системы представляет собой абстракцию, слишком упрощающую и огрубляющую действительность, так как невозможно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике появилось понятие открытой системы, способной обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Одно из первых определений открытой системы принадлежит выдающемуся физику Э.Шредингеру: средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды.

Взаимодействуя со средой, система заимствует извне новое вещество и выводит в окружающую среду отработанную энергию. В результате эволюции система постоянно производит энтропию, характеризующую степень беспорядка в системе. Но, в отличие от закрытых систем, энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде. Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Открытая система не может быть равновесной. С поступлением новой энергии неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к изменению структуры. Так схематично можно представить процессы самоорганизации в открытых системах. Немецкий физик Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, назвал новое направление исследований синергетикой (в переводе с греческого: совместное действие или взаимодействие).

Условия, необходимые для возникновения самоорганизации.

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая система должна придти в конечном итоге в беспорядочное состояние.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от температуры термодинамического равновесия. Если она находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и не способна к организации.

3. Система должна быть неравновесной.

4. Система должна быть нелинейной (ее поведение описывается нелинейным уравнением)

Для закрытых систем упорядочивающим принципом является эволюция в сторону увеличения их энтропии и усиления беспорядка, для открытых порядок возникает и усиливается через флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения). Эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление в мире нового всегда связано с действием случайных факторов.

5. Принцип отрицательной обратной связи лежит в основе сохранения динамического равновесия систем. Для самоорганизации необходим принцип положительной обратной связи, когда изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка.

6. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии (для описания необратимых процессов потребовался отказ от симметрии времени).

7. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры.

Перечисленные условия являются необходимыми, но не достаточными для возникновения самоорганизации в различных системах природы.