Ашық термодинамикалық жүйе

Ашық термодинамикалық жүйе.

Термодинамикалық жүйе – кеңістікте белгілі бір көлемге ие макроскопиялық денені айтады. Ал макроскопиялық дене деп көптеген бөлшектерден ( молекулалар мен атомдардан ) тұратын денені айтады. Термодинамикалық жүйенің ашық және жабық деген екі түрі бар. Жабық жүйе де оқшауланған және тұйық болып бөлінеді. Егер жүйе өзін қоршаған ортаға энергия бермесе және алмаса, онымен зат алмаспаса, онда оны оқшауланған жүйе деп атайды. Басқаша айтқанда оқшауланған жүйе өзін қоршаған ортамен энергия және зат алмаспайды. Бұндай жүйе табиғатта кездеспейді, ал егер де кездесетін болса, онда тек макет түрінде ғана болады. Тұйық жүйелер деп сыртқы ортамен затпен  емес, энегиямен алмасатын жүйелерді атайды. Тұйық жүйе мәңгілік емес. Мысалы, биожүйеге жұмыртқаны жатқызуға болады,яғни оған температура әсер еткенде ол бізге затын яғни балапан береді. Бұл жүйе мәңгілік емес көп уақыт 1000000 жыл өмір сүруі мүмкін. Биоинформацияны сақтауда маңызы өте зор. Тағы да мысал келтіретін болсақ, тас және де бидай тұқымы т.б. Ал ашық жүйелер сыртқы ортамен затпен де , энергиямен де  алмасады. Мысалы, ашық жүйеге барлық тірі организмдер жатады. Ашық жүйелер теориясы 20ғасырдың 30- жылдарында пайда болған болатын. Ашық жүйе мәңгілік емес, өте ұзақ уақыт тұра алмайды, өседі өледі, өзіне ұқсас жүйені туғызады, эволюция процесіне түседі, модифицерленеді. Қуатын да затын да береді де алады да. Біз ашық жүйе принципін ұстануымыз керек.  Қаншама сан алуан түрлі болса да барлық биологиялық жүйелердің барлығы ашық термодинамикалық жүйе болғаннан кейін барлығына тән ортақ белгілері мен қасиеттері бар. Кез-келген тірі организм, яғни биологиялық жүйе қоршаған ортамен зат және энергия алмасады, тыныс алады, қоректенеді, көбейеді, өседі, дамиды және белгілі бір уақытқа жеткенде өледі.

Термодинамикалық процестер қайтымды және қайтымсыз болып 2-ге бөлінеді.

100%бензин               0                     40% бензин

 

 

 

 

Егерде А-дан Б-ға, Б-дан А-ға келу үшін қосымша күш жұмсалса, ол қайтымсыз процесс. Қозғалу, машина, адам, күш жұмсалса. Термодинамиканың бұл қайтымсыз процесіне барлық ашық жүйелер кіреді. Айтар болсақ, жәй қарапайым мысал ретінде, ашық жүйелер- олар тірі организмдер. Олар өседі, өнеді, модификацияланады, өзгереді, басқа жүйеге ауыса алады. Табиғат заңдылықтарын пайдалана біледі.

Табиғатта қайтымды процесс болмайды, қуат жасалмаса, жәрдем болмаса, қуат алмаса, ол оқшауланған жүйе,  модель өсіп – өнбейтін , ішіндегі қуат өздігінен ауысады. Бір-біріне пайда келтірмейді. Табиғатта кездеспейді. Яғни, бұл процеске оқшауланған жүйені нақты жатқызуымызға болады. Қуат алмайды, қуат бермейді, ешқандай процестер жүрмейді деген сияқты. Тіршілік тек ғарыштан деген ұстаныммен жүру.

Жалпы қайтымды процестер тұйық жүйедегі тепе-теңдік процестер болып табылады. Қайтымды процестер дегеніміз не? Бұл-нәтижесінде қоршаған ортада ешқандай өзгерістер болмайтын процестер. Шындығында, егер процесс тепе- тең түрде өтсе, яғни тепе-тең күйлердің  үздіксіз бірізділігі болып табылса, онда бұл бірізділіктің әрбір нүктесінде жүйедеде, қоршаған ортада да ешқандай өзгеріс болмайды. Сондай-ақ бұл процесті кері бағытта да жүзеге асыруға болады,мұның барысында да қоршаған ортада ешбір өзгеріс орын алмайды.

Классикалық термодинамика қайтымды процестерге толық сипаттама береді, ал қайтымсыз процестер үшін белгілі бір теңсіздіктерді ғана анықтайды және тепе-теңдікке  қозғалыстың  бағытын көрсетеді. Термодинамикалық теңдеулерге уақыт факторын енгізу оларда нақты термодинамикалық процестердің  қайтымсыз дамуын ескеруге қабілетті өлшемнің пайда болуын білдіреді. Күй- қалыптың қандай да бір функцияларының соңғы ұлғаю  жағдайынан  олардың уақыт бойынша өзгеру жылдамдығына көшуі,  сондай-ақ қарастырылып отырған жүйенің қоршаған ортамен қатнасына классикалық термодинамиканы шектеуді тежейді.

Тепе-теңдік емес термодинамикасында стационар күй ерекше орын алады. Термодинамикалық тепе-теңдіктің жоқ болуына қарамастан жүйенің ұзақ уақыт бойына өзінің кейбір физикалық және химиялық қасиеттерін сақтап тұру қасиеті стационар күй деп аталады.

Стационарлық күй ашық жүйеге тән болады. Жүйе стационарлық күйге ие болу үшін ол жүйеге сырттан зат және энергия келіп түсуі керек те, сонан кейін жүйеден сыртқа зат пен энергия шығып отыруы керек. Олай болса, биологиялық организм стационар күйде болады. Өйткені, биологиялық организм үнемі өзін қоршаған ортадан зат пен энергия алады және оларды қоршаған ортаға шығарып отырады. Стационар күйде қайтымсыз процестер жүреді. Бұл қайтымсыз процестер энтропияның өсуіне әкеліп соқтырады. Осыған қарамастан  биологиялық организмнің жалпы энтропиясы өзгеріссіз қалады. Стационарлы күйдегі ішкі жүйенің энтропиясы қоршаған ортадағы энтропиямен теңеледі (орны толады). Сондықтанда жүйедегі жалпы энтропия өзгеріссіз  қалады:

dS= dіS+ dеS=0 

Ашық биологиялық жүйенің термодинамикасын негізін қалаушы–лардың бірі Берталанффи мұндай стационарлы күйді ағынды (проточный) тепе-теңдікті күй деп атады. Мұндағы dіS-жүйедегі қайтымсыз процестердің әсерінен энтропияның өзгеруі; dеS-биологиялық жүйенің өзін қоршаған ортамен әсерлесуі нәтижесінде энтропияның өзгеруі. Процестердің қайтымсыздығы энтропия өзгері–сінің өсуіне (dіS>0) әкеліп соқтыратын болса, күйдің стационарлығы энтропияның өзгеріссіз қалуына әкеліп соқтырады, яғни dS=0. Олай болса dеS =dS-dіS<0 екенін байқар едік. Бұл теңсіздік биологиялық жүйеге келіп түсетін заттар энтропиясының (dеS) жүйеден шығып кететін заттардың энтропиясынан (dіS) кем екенін көрсетеді. Сонымен биологиялық жүйе үшін энтропия өзі (S-const) тұрақты болғанмен, оның (жүйесінің) ортадан алатын энтропиясының өзгеруі dеS<0, ал жүйенің ортаға шығарып жіберетін затының энтропиясының өзгеруі dіS>0 болады. Осыдан биологиялық организм мен қоршаған ортаның энтропиясы өскенімен, жалпы организмнің (биологиялық жүйенің) энтропиясы тұрақты болып қалады (S-const). (1) формуланы түрлендірсек:  dS= dіS+ dеS

                                                                                      dt     dt    dt

Бұл формуланы Пригожин формуласы деп атайды. Бұл өрнек организм мен сыртқы ортаның энтропия алмасуының теңдігін көрсетеді. Ал стационар күй үшін S-const, dS/Δt=0 екенін ескерсек, онда

dіS=- dеS

dt     dt   

Пригожин формуласынан көріп отырғанымыздай стационар күй үшін энтропия өзгерісі нөлге тең болмайды. Бұдан стационар күйде (яғни биологиялық жүйеде) заттар алмасуы үздіксіз болып тұрады.

Ашық жүйелердің стационар күйін тұрақты және тұрақты емес деп бөлуге болады. Тұрақты стационар күй энтропия өзгерісі жылдамдығының ең аз мәніне ие болады. Тірі организм тұрақты стационар күйдің бір дәлелі бола алады. Егер сыртқы ортаның өзгеруіне (айталық қысымның, температураның) байланысты организм стационарлық күйде тұра алатын болса, онда организм осы ортаға үйренеді де (адаптацияланады) өмір сүре береді. Ал қоршаған ортаның өзгеруіне байланысты организм стационарлық күйден ауытқып кететін болса, онда организм өмір сүруін тоқтатады.