1.4. Эволюция молекулярных систем. Порядок и хаос

Начнем с исходного понятия системы. Рассмотрим два не противоречащих друг другу, но все-таки разных подхода.

Понятие 1. Система – (от греч. systema– целое, составленное из частей, соединение), множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.

Системы подразделяют на простые, содержащие небольшое количество элементов, исложные, содержащие большое количество элементов и связей между ними. По умолчанию в своих предшествующих рассуждениях мы придерживались именно этого представления, понимая под молекулярными системами сложные системы.

Понятие 2. Система – конечная область пространства с находящимися в ней физическими объектами исследования.

В первом рассмотренном нами понятии акцент сделан на структурных свойствах системы. Во втором – внимание заостряется на границе пространственной области, занимаемой системой. Граница может быть как материальной (стенка сосуда), так и воображаемой, проведенной в пространстве мысленно. Она может быть проницаемой или непроницаемой для вещества, через нее возможен или невозможен обмен энергией с другими телами. Классификация систем на этой основе приведена на схеме 1.4.1.

Схема 1.4.1.

Для дальнейшего рассмотрения учебного материала необходимо дать определение такому основополагающему понятию, как термодинамическое равновесие. Изменения в молекулярных системах можно описать с помощьюмикроскопическихимакроскопическихпараметров. Микроскопические параметры характеризуют состояния отдельных молекул. Примером могут быть их скорости, энергии, магнитные моменты. Макроскопические параметры характеризуют состояние системы в целом, например, температура, давление, плотность вещества.

Термодинамическое равновесие – это стационарное состояние изолированной системы, в котором ее макроскопические параметры сохраняют свои постоянные значения во времени и во всех точках пространства, занимаемого системой.

В этом состоянии нет градиентов температуры, плотности и других макропараметров. В определении равновесного состояния требование изолированности системы существенно. Если система не изолирована, то возможно стационарное состояние, которое не является равновесным.

Перспективы развития системы зависят от условий ее нахождения относительно равновесного состояния. Например, для биологической системы термодинамическое равновесие – это смерть. Обратимся к схеме 1.4.2, представляющей различные варианты эволюции молекулярных систем. Предметная область нашей дисциплины ограничивается левым полем схемы 1.4.2 (в равновесии и вблизи термодинамического равновесия) за исключением некоторых вопросов физики атмосферы Земли.

Дисциплины, изучающие свойства молекулярных систем в различных условиях приведены на схеме 1.4.3.

Схема 1.4.2.

Схема 1.4.3.

В качестве примера самоорганизации в физической системе рассмотрим процесс теплопередачи в пластинках Рэлея-Бенара. Это стеклянные пластинки, между которыми заключен тонкий слой вязкой жидкости. В зависимости от условий в них возможны различные механизмы теплопередачи, которые представлены на схеме 1.4.4.

Схема 1.4.4.

Рис. 1.1.

Другой пример самоорганизации – ячейки Бенара.

В слое силиконового масла, открытого сверху и подогреваемого снизу, при условии ∆T>∆T_кробразуются шестиугольные ячейки Бенара (рис. 1.1).

Конвективный поток тепла поднимается вертикально вверх вдоль оси ячейки. Затем равномерно растекается от центра к периферии верхней грани и далее по боковым граням вниз к горячей подложке. Весь слой масла становится самоорганизованной структурой из плотно прилегающих друг к другу боковыми гранями подобных ячеек. Размеры ячеек могут достигать десятков миллиметров. Приведенные примеры демонстрируют, что неравновесность может быть источником порядка. Подобные метаморфозы изучает синергетика.