Диссипативная функция

Изменение энтропии системы можно выразить через обоб­щенные силы и обобщенные координаты, характеризующие эту систему:

Отсюда можно найти скорость изменения энтропии (ds/dt). Эту величину называют диссипативной функцией:

Например, при действии силы трения диссипативная функция выражается так:

Если в системе идет химическая реакция, то обобщенной си­лой является химический потенциал (μ_x ), а обобщенной коор­динатой— число молей вещества, вступающих в реакцию (v). Диссипативная функция имеет вид:

где dν/dt скорость реакции.

Если в системе происходит несколько процессов, то ее диссипа­тивная функция определяется по формуле:

Диссипативную функцию, рассчитанную на единицу объема (V), называют удельной продукцией энтропии:

Ее можно считать количественной мерой необратимости про­цесса: чем больше q₃, тем процесс дальше от обратимого.

Важным примером диссипации энергии является демпфиро­вание. Этим термином обозначают уменьшение величины дей­ствующей силы (и, соответственно, ускорения) за счет перехо­да механической энергии в тепловую. В организме человека иживотных демпфирующими свойствами обладают скелетные мышцы, связочный аппарат, система кровообращения и др.Демпфирование играет важную роль в ослаблении нагрузок, действующих на организм. Это активный процесс, регулируе­мый центральной нервной системой. Выработка навыков демп­фирования необходима летчикам, космонавтам, парашютистам,горнолыжникам — всем, кому приходится испытывать перегруз­ки. Следовательно, диссипация энергии не всегда должна рас­сматриваться как отрицательное явление. Примером использо­вания диссипации энергии в лечебных целях служит высокочас­тотная электротерапия (например, УВЧ терапия), когда электромагнитная энергия в тканях организма диссипирует в тепло.

Диссипация энергии происходит во всех самопроизвольных процессах, идущих в изолированных системах. Так, при расши­рении газа его энтропия возрастает, поскольку с увеличением объема увеличивается число вариантов распределения молекул(растет термодинамическая вероятность). Возрастание энтро­пии свидетельствует об уменьшении свободной энергии.

Более сложным примером является смешение двух разных веществ. При образовании смеси работа не совершается, и мо­жет показаться, будто свободная энергия не изменяется. Одна­ко в смеси веществ число вариантов распределения молекул больше, чем в сумме объемов, занимаемых ими до смешения. Следовательно, для смеси характерны более высокие величинытермодинамической вероятности и энтропии. Поэтому вещест­ва довольно легко смешиваются, тогда как обратный процесс(самопроизвольное разделение смеси на компоненты) практи­чески невероятен. Однако за счет подведения энергии извне можно добиться разделения смеси на составляющие ее вещест­ва. Свободная энергия такой системы повышается.

В природе происходит немало процессов, вследствие кото­рых свободная энергия той или иной системы возрастает, но они протекают только при наличии другой системы, «питаю­щей» первую свободной энергией. Естественно, что при сопря­жении процессов в двух системах свободная энергия одной из них обязательно понижается, причем общее изменение свобод­ной энергии в полной системе, состоящей из нескольких взаимо­действующих частей, всегда отрицательно, то есть ее энергия непременно претерпевает диссипацию.

Важную роль в процессах жизнедеятельности играет сопря­жение электронных переходов в биологически важных молеку­лах с изменением их конформации (электронно-конформацион-ное взаимодействие — ЭКВ). Во многих процессах молекулы биополимеров (в первую очередь белков) так меняют свою тре­тичную структуру, что их свободная энергия заметно возраста­ет. Этот запас свободной энергии может затем использоваться для совершения работы. Грубо говоря, молекула «работает» наподобие пружины: сжимается и разжимается. Подобное явле­ние лежит в основе мышечного сокращения; так действуют мно­гие ферменты. ЭКВ может происходить потому, что оно сопря­жено с перестройкой электронной оболочки молекулы, то есть с переходом электронов на другие энергетические уровни, что приводит к освобождению заключенной в них энергии. Часть последней обеспечивает возрастание свободной энергии моле­кулы, испытавшей конформационную перестройку, а часть — диссипирует. Общее же изменение свободной энергии оказыва­ется отрицательным в соответствии со вторым началом термо­динамики, Сопряжение термодинамических процессов широко распро­странено в биологических системах.