Наиболее  интересные свойства открытых систем выявляются при нелинейных процессах. При таких процессах в них возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, т.к. её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

    Таким образом, открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что является одной из наиболее важных особенностей процессов самоорганизации.

Неравновесная термодинамика

    Неравновесная термодинамика — раздел термодинамики, изучающий системы вне состояния  термодинамического равновесия и необратимые  процессы. Возникновение этой области  знания связано главным образом  с тем, что подавляющее большинство встречающихся в природе систем находятся вдали от термодинамического равновесия.

    Неравновесная термодинамика открытых систем изучает  неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания  энтропии системы за счет процессов, происходящих внутри нее. Такой подход привел к новому взгляду на привычные понятия. Выдающаяся роль в развитии данного научного направления принадлежит И.Р. Пригожину, удостоенному за свои работы Нобелевской премии в 1977 году. Большой вклад внесли также Л. Берталанфи, Л. Онзагер, Л.И. Мандельштам, М.А.Леонтович, М. Эйген, Г. Хакен. Как отмечалось выше, открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, т.е. в тепло. Если замкнутую систему вывести из состояния равновесия, то в ней начнутся процессы, возвращающие ее к состоянию термодинамического равновесия, в котором ее энтропия достигает максимального значения. Со временем степень неравновесности будет уменьшаться, однако, в любой момент времени ситуация будет неравновесной. В случае открытых систем отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. В этих условиях может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние. Такое состояние Берталанфи назвал текущим равновесием. По своим характеристикам текущее равновесие может быть близко к равновесным состояниям. В этом случае производство энтропии минимально (теорема Пригожина). Если же отток энтропии превышает ее внутреннее производство, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При определенных условиях в системе начинает происходить самоорганизация - создание упорядоченных структур из хаоса. Эти структуры могут последовательно переходить во все более упорядоченные состояния. В таких системах энтропия убывает. И. Р. Пригожин назвал их диссипативными структурами. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду⁴.

    С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

    Примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведение в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно ("химические часы"). Эти реакции впервые были экспериментально изучены отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе бельгийскими учеными во главе И. Р. Пригожиным (русским по происхождению, р. 1917 г.) была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии - Брюсселя). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной.

    Итак, отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Хотя линейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и точном естествознании в целом, они оказываются неадекватными для описания открытых систем или же при весьма интенсивных воздействиях на системы. Именно с подобными системами и процессами имеет дело новая термодинамика и поэтому ее нередко называют нелинейной. 

Самоорганизация в открытых системах

    Открытие  самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего  в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

    Еще раз отметим, что самоорганизация — процесс упорядочения в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия. В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса.

    После открытия самоорганизации в простейших системах неорганической природы стало  ясным, что весь окружающий нас мир  и Вселенная представляют собой  совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

    Современная наука процесс самоорганизации  систем определяет следующим образом⁵:

• система должна быть открытой, потому что закрытая изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией;
• открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому не способна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придёт в состояние полной дезорганизации.

    Если  упорядочивающим принципом для  изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип  Больцмана), то фундаментальным принципом  самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесия эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип организования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер (а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры) то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

    В отличие от принципа отрицательной  обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип - положительную обратную связь, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры.

    Процессы  самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. При описании необратимых процессов приходится отказываться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

    Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

    Перечисленные выше условия, безусловно, являются необходимыми для возникновения самоорганизации в различных природных системах. Но конечно же недостаточными. Так, в химических и биологических самоорганизующихся системах важная роль отводится факторам ускорения химических реакций (процессы катализа).

Заключение

    Многообразие  материальных систем, охватывающих неживую  и живую природу, пространство и  время, человеческое общество, предполагает их функционирование в рамках единых законов природы.

    Особую  роль в описании структуры и принципов  функционирования природных систем играют системный и эволюционный подходы. Прогресс науки в развитии этого направления определился  лишь после широкого распространения  идей и представлений о динамике открытых диссипативных систем, о самоорганизации открытых систем, о динамических открытых системах в биологии. Одним из ключевых положений, развиваемых в рамках системного подхода к описанию природных явлений, заключается в том, что поведение систем в зависимости от внешнего воздействия определяется обратными связями.

    Термодинамика, выделяет три типа термодинамических систем: замкнутые, закрытые и открытые. Индивидуальные свойства этих систем нашли своё обобщение и теоретическое объяснение в законах и классической термодинамики. Согласно второму закону все естественные процессы необратимы и могут протекать только в одну сторону (в сторону увеличения беспорядка системы), из-за чего и возникает «стрела времени». Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции. Такое понятие о времени и особенно об эволюции системы в термодинамике коренным образом отличается от понятия времени и эволюции, которое лежало в основе эволюционной теории Дарвина.

    Новая термодинамика открытых систем дала исчерпывающее объяснение процессу самоорганизации и назвала те условия, которые являются необходимыми для его реализации. Например, возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению новой структуры системы.

    Система, в которую поступает энергия, превращающаяся в тепло, получила название диссипативной открытой системы, основные свойства которой определяются составом структурных элементов, притоком энергии  и факторами внешней среды.

Список использованной литературы

1. Агеев Е.П. Неравновесная термодинамика в  вопросах и ответах. - М: Эдиториал  УРСС, 2005.
2. Горелов А.А.  Концепции современного естествознания - М.: «Центр» 1998 г.
3. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания, учебник - М.: 2000 г.
4. Климонтович Ю. Л. Введение в физику открытых систем. – М.: Изд-во «Янус-К», 2002 г.
5. Масленникова И.С., Шапошникова Т.А., Дыбов А.М. Концепции современного естествознания. -СПб, СПбГИЭУ, 2003.