Стационарное состояние. Принцип минимума производства энтропии
Изложенные выше вопросы термодинамики относились в основном к равновесным процессам или к процессам, которые приводят к равновесным состояниям. Такие ограничения позволили объяснить направленность термодинамических процессов в изолированной системе.
Реальные процессы и состояния в природе и технике являются неравновесными, а многие системы — открытыми. Эти процессы и системы рассматриваются в неравновесной термодинамике.
Аналогично тому, как в равновесной термодинамике особым состоянием является состояние равновесия, так в неравновесной термодинамике особую роль играют стационарные состояния.
Несмотря на то, что в стационарном состоянии необратимые процессы, протекающие в системе (диффузия, теплопроводность и др.), увеличивают энтропию, энтропия системы не изменяется. Как понять это противоречие?
Представим изменение энтропии AS системы в виде суммы в виде двух слагаемых:
где ∆Si — изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами в системе, ∆Se — изменение энтропии, вызванное взаимодействием системы с внешними телами (потоки, проходящие через систему).
Необратимость процессов приводит к ∆Si > 0, стационарность состояния — к ∆S = 0; следовательно, ∆Se = ∆S - ∆Si < 0. Это означает, что энтропия в продуктах (вещество и энергия), поступающих в систему, меньше энтропии в продуктах, выходящих из системы.
В равновесном состоянии, как уже отмечалось, энтропия максимальна. Для стационарных состояний. Пригожий также указал экстремальное значение некоторой функции, сформулировав принцип минимума производства энтропии: в стационарном состоянии системы скорость возникновения энтропии вследствие необратимых процессов имеет минимальное значение при данных внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния (dSi/dt > 0 и минимальна).
Согласно принципу Пригожина, в системе при стационарном состоянии внутренние неравновесные процессы (диффузия, теплопроводность, химические реакции и др.) протекают так, что ежесекундный прирост энтропии минимален. Это означает, что система за счет внутренних необратимых процессов не способна выйти из стационарного состояния. Так, если за счет небольших отклонений (флуктуации) система несколько и отклонилась бы от Стационарного состояния, то стремление внутренних процессов уменьшить dSi/dt вернет систему вновь к этому состоянию.
Отметим, что все изложенное, в том числе и принцип Пригожина, справедливо при заданных и неизменных внешних условиях. При изменении внешнего воздействия (потоков, входящих и Исходящих из системы) система уходит из одного стационарного Состояния и переходит в другое в том случае, если новые внешние условия будут сохраняться во времени.
Примерами переходных процессов между стационарными состояниями в биологических системах являются генерация нервного импульса, мышечное сокращение и др.
Дата добавления: 2020-11-18; просмотров: 307;