Второй закон термодинамики для открытых и изолированных систем

Второй закон термодинамики  для открытых и изолированных  систем.

δQ/Т>dS. 

Второй  закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической  системе энтропия никогда не может  уменьшаться. Она равна нулю при  обратимых процессах и может  только увеличиваться при необратимых  процессах, то есть dS>=0. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим, поэтому также DS ³ 0.

Здесь есть также определенная связь с упорядоченностью системы, а также с информацией (большая упорядоченность соответствует большему количеству информации). Можно говорить при этом о единстве природы информации и энтропии.  Действительно, увеличение энтропии соответствует переходу системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние. Такой переход сопровождается уменьшением информации, содержащейся в структуре системы. Беспорядок, неопределенность можно трактовать как недостаток информации. В свою очередь возрастание количества информации уменьшает неопределенность.

Вспомним  физический смысл энтропии. Все процессы, самопроизвольно протекающие в  природе, необратимы и способствуют переходу системы в равновесное  состояние, которое всегда характеризуется  тем, что:

а) в процессе этого перехода всегда безвозвратно выделяется некоторая  энергия и для совершения полезной работы она использована быть не может; 
б) равновесном состоянии элементы системы характеризуются наименьшей упорядоченностью.

Отсюда  следует, что энтропия является как мерой рассеяния энергии, так и, что сейчас для нас главное, мерой неупорядоченности системы.

Применение  второго закона термодинамики к  живым системам без учета того, что это открытые системы, приводит к противоречию. Действительно, энтропия должна всегда возрастать, то есть должна расти неупорядоченность живой  системы. В то же время мы хорошо знаем, что все живые системы  постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается  и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность  живых систем. В процессе развития каждого организма (ортогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза) все время образуются новые структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Таким образом, второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим.

Для открытых термодинамических систем изменение энтропии состоит из суммы dS = dS_i + dS_е 
где dS_i – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, dS_e – изменение энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой.

Согласно  второму закону термодинамики величина dS_i может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dS_e может быть положительной (dS_e > 0, система получает энтропию) и отрицательной (dS_e < 0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При dS_e < 0 и | dS_e| > | dS_i | :

dS = dS_i + dS_e < 0,

что означает увеличение упорядоченности  в случае, когда систему покидает больше энтропии, чем возникает внутри ее в ходе необратимых процессов.

Рассмотрим  производную энтропии по времени   , которую называют скоростью изменения или производством энтропии. Из выражения для DS следует, что производство энтропии открытой системы:

Для стационарного состояния, когда  неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины):

Это означает, что

т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dS_i), должна полностью переходить во внешнюю среду.