3.4 Производство и поток энтропии Термодинамика открытых систем и живые организмы кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое термодинамика открытых систем, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое термодинамика открытых систем, открытая система , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Синергетика.

Термодинамическая система — физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом ; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц , «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования» . Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро (примерно 6·10²³ частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идет речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.

открытая система в теории систем — система, которая непрерывно взаимодействует со своей средой. Взаимодействие может принимать форму информации, энергии или материальных преобразований на границе с системой. Открытая система противопоставляется изолированной, которая не обменивается энергией, веществом или информацией с окружающей средой.

• Открытая система в физике — система, которая обменивается веществом и энергией с внешним по отношению к системе миром, в отличие от закрытых и изолированных систем, в которые и из которых ни вещество, ни энергия не могут войти или выйти. С понятием изолированной системы тесно связано понятие энтропии.
• Открытая система в информатике — аппаратура и/или программное обеспечение, которое обеспечивает переносимость и совместимость, а часто и их вместе с другими компьютерными системами.
• Открытая система в биологии — организмы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.
• Открытая система в теории систем — система, которая непрерывно взаимодействует с ее средой. Взаимодействие может принять форму информации, энергии или материальных преобразований на границе с системой.

Понятие открытой системы было формализовано^[кем?], что позволило взаимосвязать теорию организмов, термодинамику и эволюционную теорию . Это понятие подробно анализировалось с появлением теории информации и впоследствии теории систем. Сейчас у понятия есть применения в естественных и общественных науках.

Применим закономерности термодинамики открытых систем к живым организмам. Для этого живой организм (открытая система) вместе с ее окружением отделим от остального мира адиабатической оболочкой. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Тогда к такой системе возможно применить законы термодинамики.

Рассмотрим три примера из этой области -
космонавт в кабине космического корабля,
деление живой клетки и
человек в парилке.

Рисунок 1. Некоторые результаты полезной работы (∆G) в живых биологических системах. А. - светлячок излучает свет для привлечения полового партнера; Б. - электрический угорь убивает врагов-хищников электрическим разрядом; В. - почки животных концентрируют растворенные вещества против градиента концентрации; Г. - сила мышечнолго сокращения предвигает тяжелый груз.

Рисунок 1. Некоторые результаты полезной работы (∆G) в живых биологических системах. А. - светлячок излучает свет для привлечения полового партнера; Б. - электрический угорь убивает врагов-хищников электрическим разрядом; В. - почки животных концентрируют растворенные вещества против градиента концентрации; Г. - сила мышечнолго сокращения предвигает тяжелый груз.

Пример 1. Космонавт в космическом корабле.

Внутренность кабины изолирована от окружающего пространства. Космонавт - открытая система, изменение его энтропии dS^(к) равно

dS^(к) = d_iS^(к) + d_еS,

где d_iS^(к) - производство энтропии космонавтом, d_eS - поток энтропии из-за обмена теплом и веществом космонавта с окружающей средой.

Изменение энтропии dS^(с) среды вокруг космонавта равно

dS^(с) = - d_еS,

и общее изменение энтропии

dS = dS^(к) + dS^(с) = d_iS^(к) > 0,

т. к. энтропия dS изолированной системы возрастает на величину производства энтропии космонавта d_iS^(к).

Если космонавт молод и здоров, то его состояние стационарно и его энтропия не меняется, т.е.

dS^(к) = d_iS^(к) + d_еS = 0.

В стационарном состоянии производство энтропии внутри системы d_iS^(к) > 0, компенсируется ее оттоком наружу d_еS < 0.

Можно специально показать, что отток d_еS энтропии выше, чем энтропия веществ, потребляемых в пище; количество энергии в стационарном состоянии не меняется.

Известный физик Шредингер в 1949 г. поставил следующий вопрос "что же тогда составляет то драгоценное НЕЧТО, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти?" Живой организм увеличивает энтропию S S_max и приближает его к смерти. Уйти от этого состояния можно при большом оттоке энтропии в среду или, иначе выражаясь, из-за извлечения из среды отрицательной энтропии; последняя носит название "негэнтропии". Отрицательная энтропия и есть то драгоценное НЕЧТО, чем питается организм. В метаболизме существенно освобождение организма от произведенной им энтропии.

Рис.1.Зависимость функции диссипации от времени.

Пригожин показал, что если стационарное состояние открытой системы близко к равновесному, то функция диссипации имеет минимум, т. е. по мере приближения к стационарному состоянию она убывает d /d <0, а в стационарном состоянии d /d =0 (рис. 3.3). Иными словами, рост молодого организма (мощный метаболизм, повышенный обмен веществ) в приведенных терминах запишется

dS^(к) = d_iS^(к) + d_eS < 0,

а старение, напротив, сопровождается возрастанием энтропии, нет ее компенсации из-за оттока наружу

dS^(к) = d_iS^(к) + d_eS > 0,

и смерть наступает при S = S_max .

Пример 2 Деление клеток.

Клетка - открытая система и ее баланс энтропии выражается соотношением

dS = d_iS + d_eS.

Представим клетку в виде шара радиусом r, производство энтропии d_iS пропорционально объему , а отток d_eS пропорционален площади поверхности 4 r². Следовательно, изменение энтропии dS равно

dS=А - В4 r²,

где А и В - коэффициенты.

Нетрудно видеть, что при r = 3В/А, dS = 0. При меньших r < 3В/А отток энтропии выше ее производства. Когда r > 3В/А, dS > 0 и в клетке накапливаются вещества с избыточной энтропией и клетка перегревается. Поэтому при r = 3В/А клетка должна разделиться, иначе она погибнет, причем в новых двух клетках объем не изменится, а поверхность возрастет. Радиусы r₁ новых клеток нетрудно найти

= 2 r₁³ , r³=2r₁³, r₁= r / .

Изменение энтропии в двух новых клетках равно dS = 2 . При r = 3В/А = r₁ или r₁ = получаем dS = 36 <0, т. е. отток энтропии увеличился в раз.

Итак, деление клеток связано с оттоком энтропии, это неравновесные процессы, а рост кристалла возникает при равенстве свободных энергий и расплава; здесь имеет место равновесный фазовый переход.

Пример 3. Человек в бане

Рассмотрим поведение организма человека, когда он находится в парилке.

Определим производство энтропии d_iS человека в любых условиях. Заметим, что экспериментально установлено на основании прямой калометрии (изменение потерь человека в калориметре), а также с помощью непрямой калометрии (на основе газового обмена при дыхании человека), что человек в условиях комфорта вырабатывает мощность 100 Вт. Кстати, данные прямой и непрямой калометрии при длительном проведении опыта в среднем совпадают. Будем полагать, что человек пребывает в парилке 2 часа или 7 200 секунд, за это время он "выработает" энергию Q=100Вт*7200с=7,2*10⁵Дж, температуру тела человека примем 36°С или примерно 300°К, т. е. производство энтропии равно

d_iS=7,2*10⁵ /3*10²=2,4*10³Дж/К.

Предположим, что в процессе парения человек потерял в весе массу m=2 кг, т. е. за 2 часа испарил 2 кг воды. Теплота испарения воды (H = 4*10⁴ Дж/моль), молекулярный вес воды - M(H₂0) = 18 г/моль, потеря энергии dQ = m*H*M = 2*4*10⁴*18 = 12,8* 10⁵ Дж.

Найдем поток энтропии d_eS = dQ / T =12,8*10⁵ / 3*10² = 4,2*10³ Дж/К.

Сопоставим производство энтропии d_iS и отток энтропии d_eS

d_iS=2,4*10³ Дж.К, d_eS=4,2*10³ Дж/К.

В рассматриваемом случае имеем дело с энтропийным насосом, при действии которого происходит отток энтропии из системы, что должно приводить отдельные органы человека в более организованное состояние и, если этот процесс проводить в умеренных рамках, то общее состояние человека после бани должно улучшаться.

Прочтение данной статьи про термодинамика открытых систем позволяет сделать вывод о значимости данной информации для обеспечения качества и оптимальности процессов. Надеюсь, что теперь ты понял что такое термодинамика открытых систем, открытая система и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Синергетика