2.2.2. Особенности проявления законов термодинамике при функционировании биосистем.
Первое начало термодинамики: А=Б+В
Второе
начало термодинамики:
,
то есть наличие ПДК процесса фотосинтеза.
То есть, оба начала термодинамики с одной стороны полностью соблюдается при функционировании биосистем любого уровня организации.
S=S2
–S1
>0
S=
S1-
S2<0;
S2<
S1
Таким образом, с точки зрения энтропии возникает кажущееся противоречие закону энтропии или второму началу термодинамике. Если любая физическая система самопроизвольно может перейти только в состояние с более высокой энтропии, а все самопроизвольное процессы только проходят с ∆S>0, с положительным приращением энтропии.
То поведение биосистем коренным образом отличается без всякой внешней работы, только за счет использования солнечной энергии самопроизвольно происходят процессы для которых ∆S<0, то есть с отрицательным приращением энтропии, это означает при жизни (жизнедеятельности) биосистемы любого уровня организации идущие с использованием внешней энергии, каждая последующая энергия характеризуется меньшим значением энтропии за счет упорядочности элементов систем и более высокой концентрации энергии.
Это кажущееся противоречие закону энтропии было объяснено с точки зрения теоремы Пригожина.
2.3. Теорема Пригожина
2.3.1. Интерпретация теоремы Пригожина.
∆=0
∆>0
стационарное
неравновесие, то есть градиент есть, но
его изменение во времени постоянно.
S1- открытая система;
S2 - закрытая (изолированная) .
Изменение энтропии всей системы:
(1)
Пригожин выделил в системе, по характеру отношения к обмену с ОС ВЭИ, две подсистемы. Одну изолированную, без обмена, характеризующуюся состоянием энтропии S2, и вторую характеризуется обменом с окружающей средой ВЭИ.
Поскольку любая система, которая находится в состоянии неравновесия, стремится к равновесию, изменение энтропии всей системы и ее подсистем описывается уравнением (1) .
Изменение
энтропии всей системы равно
Ø,
так как диференциал константы =Ø (мы
приняли условие стационарности системы).
Для
любой изолированной системы стремится
к своему равновесию изменения энтропии
изолированной системы больше
Ø.
Получается, что отрицательная энтропия генерируется в подсистеме отвечающей за обмен с ОС ВЭИ.
Теорема Пригожина:
Любая термодинамически неравновесная система находится в состоянии стационарного неравновесия стремится к состоянию равновесия оптимальным образом за минимальное время. Это предполагает наличие выравнивающих двух потоков в системе:
Таким образом изменение энтропии изолированной системы, как и энтропии всей системы в ОС постоянно увеличивается. Энтропия открытой подсистемы все время стремится к максимальному уменьшению, что обеспечивается интенсификацией всех обменных процессов с ОС.
Процесс откачки неупорядоченности из системы называется диссипацией (или рассеиванием).
А структуры, отвечающие за диссипацию, диссипативными.
Диссипация увеличивает неоднородность системы.
Любая диссипативная структура, используя энергию внешней среды, увеличивает упорядоченность, разнородность элементов системы, что соответствует более качественному и концентрационному состоянию ее энергетики. При этом из системы удаляются (элиминируются) неупорядоченность и рассевается энергия непригодная к использованию.
Диссипативные структуры: фотосинтез, естественный отбор, наследственная программа вида.
Экосистема, как и биосистемы, на любом уровне организации представляют собой открытые термодинамически неравновесные физико-химические системы, постоянно обменивающихся ВИЭ и с окружающей средой, уменьшая при этом свою энтропию внутри себя, но увеличивая во вне с полным соответствием с законами термодинамики.
«Жизнь питается отрицательной энтропией» - Шредингер.