Термодинамика сложных природных систем
Обсуждая второе начало термодинамики, часто обращают внимание на одну из известных формулировок Рудольфа Клаузиуса и Дж.У. Гиббса [1]. Эта формулировка относится к простой изолированной термодинамической системе - системе, объем, и внутренняя энергия которой постоянны, и в которой может совершаться только работа расширения [2-4]. Фактически, указанная формулировка применима к изолированной системе идеального газа. В этом случае мы говорим об увеличении энтропии системы (ΔS˃ 0) в результате самопроизвольного процесса. Для других идеальных простых систем вводятся иные известные критерии возможности протекания самопроизвольных процессов [1-4].
Однако реальные системы не являются простыми идеальными системами. Применяя второе начало термодинамики к поведению реальных систем, целесообразно рассматривать обобщенное уравнение Гиббса (комбинированный закон термодинамики), являющееся обобщением первого и второго начал термодинамики [2-6]. Это уравнение - уравнение сложных систем. Оно учитывает все виды работы, которые совершаются в системе (или совершаются над системой). Для моноиерархической физико-химической сложной закрытой системы, в которой совершаются самопроизвольные превращения, обобщенное уравнение Гиббса обычно представляют в виде [6]:
(1)
Здесь: T - температура, S - энтропия, U - внутренняя энергия, р - давление, V - объем, Xk -любая обобщенная сила, за исключением давления, xk- любая обобщенная координата, кроме объема, μk - химический потенциал к - ого вещества, mk - масса к - ого вещества, которая (масса) может быть заменена на количеством молей. Знак равенства относится к случаю обратимых изменений, знак неравенства описывает необратимые изменения. Работа, выполняемая системой отрицательна. Надо иметь в виду, что в некоторых литературных источниках эта работа считается положительной [3,5].
При применении подобного обобщенного уравнения к сложным полииерархическим системам суммирование проводится по всем иерархиям [5-7].
Иерархическая термодинамика, в соответствии с законами природы, создает и оптиматизирует формы и функции живых систем в условиях их обитания [8-10]. Природа, в поисках минимумов удельной «свободной энергии Гиббса» (функции Гиббса) образования структур, самопроизвольно выявляет (формирует) химический состав и строение динамических иерархических живых систем. При изучении всех эволюционных преобразований в онтогенезе, филогенезе и эволюции удобно использовать известное “символическое” уравнение для полного дифференциала функции Гиббса [8-10]:
(2)
Здесь: T – температура; S – энтропия; V– объем; p – давление; X – любая обобщенная сила, за исключением давления; x - любая обобщенная координата, за исключением объема; µ - эволюционный (химический) потенциал; m – масса k-го вещества; работа, совершенная системой, отрицательна. Индекс i относится к частной эволюции (эволюции i-оймоноиерархии), а k – к компоненту i – ой эволюции. Верхний индекс * означает, что рассматривается поведение сложной квазиравновесной системы.
Физические поля и воздействия, учитываемые уравнением (2), формируют или ваяют живые объекты из химических веществ, присутствующих в условиях Земли, придавая им (объектам) соответствующие оптимальные формы и функции [8-10].
Уравнение (2) учитывает самопроизвольные процессы в квазизарытых системах, направляемые “расширенным” вторым началом термодинамики (применимым к сложным термодинамическим системам), и несамопроизвольные процессы, стимулированные источниками энергии из окружающей среды. Приведенное уравнение (2) с хорошим приближением можно использовать при изучении эволюции живых систем.
Следует заметить, что некоторые авторы энциклопедии EoHT применяют модели простых систем для описания поведения человеческого общества и взаимодействия отдельных организмов [11]. Эти немногочисленные авторы, как и главный редактор Libb Thims, ориентируются на умозрительные представления прошлых веков и пренебрегают достижениями современной науки. Очевидно, что живые системы являются сложными, то есть системами в которых (или над которыми) совершается не только работа расширения [2-10]. Поведение таких систем не моет быть описано в рамках примитивных моделей простых систем. Непрофессиональный подход к применению термодинамики к жизни общества приводит к чудовищным недоразумениям и неоправданным дискуссиям. Такой подход создает неимоверную путаницу и препятствует использованию термодинамики для изучения живых объектов. К тому же главный редактор упомянутой энциклопедии, как я полагаю, часто использует неоправданную терминологию, а также противоречащие здравому смыслу представления о «молекулах», о жизни как явлении и т.п. Энциклопедию EoHT [11] не следует считать коллективным трудом, поскольку она редактируется, практически, только с позиции взглядов главного редактора, который отстаивает собственные взгляды, часто противоречащие современной науке и здравому смыслу. Жаль, что огромный информационный материал этой энциклопедии «тонет» в море фантазий и невообразимой путаницы.
Полагаю, что иерархическая термодинамика – термодинамика сложных систем [5-10], построенная на прочном фундаменте теории Дж. У. Гиббса, позволяет существенно расширять наши представления о жизни и ее эволюции.
Литература
1. Gibbs J.W. The Collected Works of J. Willard Gibbs, Thermodynamics . New York: Longmans, Green and Co. -1928. - V. 1.- P. 55-349. (Рус. Пер. М. : Наука, 1982. 584 с.).
2. Sychev V.V. Thermodynamics of Complex Systems . – М.: Energoatomizdat, 1986,- 208 p.
3. Сычев В.В. Сложныетермодинамическиесистемы. 5-еиздание. Москва, Издательский дом МЭИ, 2009. 296 с. .http://creatacad.org/?id=57&lng=eng
4. Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. 3-е издание. Москва, Издательский дом МЭИ, 2010. 252 с.
5. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P. http://creatacad.org/?id=47&lng=eng http://creatacad.org/?id=57&lng=eng http://gladyshevevolution.wordpress.com/
6. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к осознанию явления жизни. Издание второе. –М.: - Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003. http://gladyshevevolution.wordpress.com/article/thermodynamic-theory-of-evolution-of-169m15f5ytneq-3/
7. Gladyshev G.P. Leonhard Euler’s methods and ideas live in the thermodynamic hierarchical theory of biological evolution // International Journal of Applied Mathematics and Statistics - (IJAMAS).- 2007.- Vol. 11.- N07, November.- P. 52-68. http://www.ceser.res.in/ijamas.htmlhttp://www.ceser.res.in/ijamas/cont/2007/ams-n07-cont.html
8. Гладышев Г.П. О термодинамической теории эволюции и старения живых существ // Успехи геронтологии. - 2010. - Т. 23. № 2. - С.175 - 178. (G.P. Gladyshev G.P. Thermodynamic Theory of Biological Evolution and Aging of Living Organisms // Advances in Gerontology.- 2011.- Vol. 1, No. 2.- P. 130–133. © Pleiades Publishing. Ltd. 2011).
9. Гладышев Г.П. Термодинамическая теория эволюции и старения. Успехи геронтологии. 2012. Т. 25. № 3. С. 373–385.http://www.fesmu.ru/elib/Article.aspx?id=270465 Перевод на английский: Advances in Gerontology, - 2013. См. такжеhttp://gladyshevevolution.wordpress.com/
10. Gladyshev G.P. http://endeav.net/news.html
11. Thims Libb. Articles in EoHT http://www.eoht.info/