В замкнутых системах необратимые процессы всегда сопровождаются возрастанием энтропии, что является критерием необратимого процесса.
В открытых системах, которые могут обмениваться энергией или веществом с окружающей средой, при необратимом процессе энтропия системы, которая складывается из полного производства ее в системе и изменения из-за вытекания (или втекания) через поверхность системы, может оставаться постоянной или даже убывать.
Неравновесность
Термодинамическая система может находиться в равновесном или в неравновесном состоянии.
Как трактует Википедия, термодинамическое равновесие – это состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические параметры (температура, давление, объем, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем-то, эти величины не являются постоянными, они флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Примером равновесной закрытой структуры являются кристаллы.
Длительное время в состоянии равновесия могут находиться лишь закрытые системы, не имеющие связей с внешней средой, тогда как для открытых систем равновесие может быть только мигом в процессе непрерывных изменений. Равновесные системы не способны к развитию и самоорганизации, поскольку подавляют отклонения от своего стационарного состояния, тогда как развитие и самоорганизация предполагают качественное его изменение.
Большинство реальных систем являются неравновесными. Например, возможность подпитки и сброса энергии позволяет организму человека (открытой системе) адаптироваться к постоянно изменяющимся внешним условиям. А это есть не что иное, как неравновесность.
«Неравновесность можно определить как состояние открытой системы, при котором происходит изменение ее макроскопических параметров, то есть ее состава, структуры и поведения» [4]. В неравновесных системах происходят изменения потоков материи, энергии или фаз.
Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая связана с притоком энергии извне, благодаря которому в организме непрерывно идут пластические процессы, процессы роста, образования сложных веществ, из которых состоят клетки и ткани. Вторая тенденция связана с обратным процессом разрушения, со сбросом энергии вовне. Всякая деятельность человека связана с расходованием энергии. Даже во время сна многие органы (сердце, легкие, дыхательные мышцы) расходуют значительное количество энергии.
Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая – открытая система рассеивается, превращаясь в хаос.
А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль могут играть флуктуационные процессы [7].
Дело в том, что все сложные системы состоят из подсистем, которые непрестанно флуктуируют. И если в классической науке флуктуация – случайное отклонение мгновенного значения от среднего – быстро рассасывается, то в синергетике флуктуации при определенных условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образований новой структуры. То есть флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. В системе могут спонтанно возникать новые типы структур, самопроизвольно возникать новые динамические состояния.
Словом, термодинамика неравновесных процессов изучает незамкнутые системы, которые в результате внутренних коллективных сил и внешних воздействий оказываются в состояниях, далеких от равновесных.
Все необратимые процессы происходят до тех пор, пока не установится равновесие системы, а это свидетельствует о том, что работа совершается системой только в том случае, пока ею не достигнуто равновесное состояние. Неравновесные системы, не получая дополнительную энергию, не могут длительное время сохранять свое состояние.
Неравновесность связана с адаптацией к внешней среде, она вынуждена изменять свою структуру и может претерпевать много различных состояний неопределенности.
Нелинейность
Нелинейностью называется свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы. Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами.
Нелинейность также рассматривается как необычная реакция на внешние воздействия, когда не очень сильное, но «правильное» воздействие оказывает большее влияние на систему, чем воздействие более сильное, но неадекватное ее собственным тенденциям.
Хорошим примером нелинейности служит реакция организма человека на внешние раздражители. Организм, реагируя на внешние воздействия, не соблюдает принцип «чем больше, тем лучше (или хуже)». Человеческому организму оказалось удобнее, экономичнее и выгоднее использовать нелинейную зависимость его реакции от величины раздражителя.
Оказывается, в организме существуют несколько фаз, в пределах которых проявляется реакция организма на действие внешнего раздражителя. Например, в реакции организма на стресс выделяют три фазы. Первая фаза – начальная. Для нее характерно возникновение чувства тревоги, беспокойства. Вторая фаза – фаза сопротивления. Она характеризуется выработкой сил и средств, направленных на борьбу с факторами, вызывающими стресс. Третья фаза – фаза истощения. Ресурс защитных сил организма исчерпан, и организм заболевает. Именно на третьей стадии и возникают так называемые болезни на нервной почве.
Фазной реакцией на внешние раздражители обладает не только весь человеческий организм, но и каждая отдельная мембрана клетки, каждая клетка, отдельная клеточная популяция, отдельное нервное волокно, а также каждый участок кожи. Такой же по форме отклик на воздействие извне характерен даже для всей биосферы как единой сложной системы.
Важным достижением синергетики является открытие механизма резонансного возбуждения. Оказывается, система, находящаяся в неравновесном состоянии, чутка к воздействиям, согласованным с ее собственными свойствами. Поэтому флуктуации во внешней среде являются не «шумом», а фактором генерации новых структур. Малые, но согласованные с внутренним состоянием системы внешние воздействия на нее могут оказаться более эффективными, чем большие. Нелинейные системы демонстрируют неожиданно сильные ответные реакции на релевантные [8] их внутренней организации, резонансные возмущения.
Являясь неравновесными и открытыми, нелинейные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, то есть система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Например, в ходе химической реакции вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.
На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции [9]: здесь возможны ситуации, когда эффект от совместного действия причин А и В не имеет ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.
Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.
Диссипативность
Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, то есть своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Иными словами, неравновесное протекание множества микропроцессов суммируется на макроуровне и качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом.
