В мире все подвластно термодинамике
Цель настоящей заметки – поиск точных формулировок, касающихся управляющего действия термодинамики в эволюции материи. Эволюцию Вселенной, по-видимому, следует рассматривать как совокупность изменений различных ее частей и объектов, подвергающихся преобразованиям, обусловленных самопроизвольными (спонтанными) и несамопроизвольными (неспонтанными) процессами. Статья рассчитана на читателей, знакомых с основами химической, биологической и эволюционной термодинамики.
Ключевые слова: эволюция, жизнь, термодинамика, сложные термодинамические системы, самопроизвольные процессы, несамопроизвольные процессы.
In the world everything is subject to the thermodynamics
Georgi Gladyshev (Георгий Гладышев)
Можно утверждать, что “в мире все подвластно термодинамике”. Термодинамика становится всесильной, принимающей всеобъемлющий характер, если ее обосновано применять к различным структурным и временн’ым (temporal) иерархиям материального мира и учитывать все возможные виды работы, совершаемой в сложных термодинамических системах [1-9]. В таких системахвозможно производство работы расширения, любых других видов работы, таких как, химическая, электромагнитная, гравитационная, осмотическая и другие [3-6].Таким образом, можно утверждать: "В мире все подвластно иерархической термодинамике сложных систем". К тому же, можно также утверждать, что “все в мире происходит под действием энергии собственно самих систем, и /либо/ энергии среды, окружающей эти системы”. Это заключение предполагает существование (разграничение) самопроизвольных (спонтанных) и несамопроизвольных (неспонтанных) процессов, совокупность которых определяет эволюцию и развитие мира [10]. При изучении эволюции квазизакрытых систем, по-видимому, наиболее удобно пользоваться удельной функцией Гиббса образования сложной системы (G*). Вариация этой величины в квазизакрытой сложной системе характеризует изменение относительной стабильности системы и выявляет степень протекания или завершенности реальных процессов в системе. Это также относится к исследованию филогенеза и онтогенеза биологических систем.
Рассмотрим процесс перехода химической эволюции в биологическую эволюцию в условиях Земли.
Выделенные изучаемые квазизакрытые физико-химические системы под действием энергии извне подвергаются несамопроизвольным превращениям. Источниками энергии служит энергия Солнца, электрические разряды в атмосфере, внутреннее тепло Земли, гравитационные и магнитные поля, другие источники энергия. Это приводит к протеканию несамопроизвольных физических и химических процессов и увеличению удельной функции Гиббса образования рассматриваемых систем из элементов. Далее в этих динамических (открытых на больших временах) системах наблюдаются самопроизвольные физические, химические и “молекулярно-конденсационные” процессы, характеризующиеся уменьшением удельной функции Гиббса образования супрамолекулярных структур системы. Супрамолекулярные структуры систем становится более стабильными, но они, вследствие действия принципа стабильности вещества [3, 7, 11] , обогащаются энергоемким химическим веществом. Заметим, что сделанные заключения согласуются с общеизвестными фактами и экспериментальными данными [3]. С точки зрения супрамолекулярной стабильности, системы стремятся к внутреннему супрамолекулярному равновесию, однако, с точки зрения химической молекулярной стабильности, они (системы) удаляются от состояния химического равновесия с окружающей средой. Энергоемкие, мало стабильные химические структуры, накапливающиеся в системах, сравнительно быстро распадаются. Однако эти системы, стремясь к внутренней супрамолекулярной стабильности, пополняют себя новым мало стабильным химическим веществом. Другими словами, в системах наблюдается обмен химического вещества. Процесс напоминает функционирование химически активной хроматографической колонки, как квазизакрытой квазиравновесной системы. Эволюционирующие системы подвергаются несамопроизвольным превращениям под действием окружающей среды, включая несамопроизвольные процессы, связанные с взаимным обоюдным взаимодействием этих подобных систем (например, организмов).
Заметим, что с точки зрения объектов окружающей среды (например, звезд) в них (в этих объектах) происходят самопроизвольные процессы выделения энергии, которая, поглощаясь рассматриваемой выделенной системой, приводит к развитию в этой системе самопроизвольных процессов. Если система отдает энергию окружению, то это может привести к развитию самопроизвольных процессов в окружающей среде.
Рассматриваемые выделенные системы, как уже отмечалось, обогащаются энергией за счет энергии окружающей среды, что приводит к увеличению удельной функции Гиббса образования их химических структур. Далее эти системы подвергаются самопроизвольным превращениям. Многократное повторение подобных циклических (периодических) превращений сопровождается появлением новых структурных иерархий. При этом структуры низших иерархий оказываются “вложенными” или “внедренными” в структуры высших иерархий. Образуются полииерархические структуры (организмы), которые обмениваются энергией и веществом между собой и окружающей средой. Возникновение и существование самовоспроизводящихся полииерархических структур, и обмен веществ в этих структурах (системах) при притоке энергии извне являются неотъемлемой сущностью жизни как явления.
В целом, можно утверждать, что возникновение жизни связано с появлением самовоспроизводящихся полииерархических систем. Возможно, что это обстоятельство является существенным при разграничении неживой и живой материи. Разумеется, неживая материя плавно преобразуется в живое вещество под воздействием несамопроизвольных и самопроизвольных процессов, направляемых движущими силами термодинамики – “термодинамики внешних и внутренних воздействий”.
Относительно эволюции нашего Мира, с точки зрения высказанной нами позиции, по-видимому, можно сказать следующее. Эволюция – процесс расширения и развития Вселенной, протекающий на фоне преобразований ее частей и многочисленных объектов под управляющим воздействием иерархической термодинамики сложных систем.
Во всех локальных областях Вселенной, в рамках своей применимости, правит могущественная иерархическая термодинамика – квазиравновесная термодинамика квазизакрытых систем
Автор сердечно благодарен профессору Валерию Петровичу Казакову за поддержку и важные замечания.
Литература
1. Gibbs, W.(1876). The Scientific Papers of J. Willard Gibbs: “On the Equilibrium of Heterogeneous Substances”, Vol. 1, Thermodynamics.Connecticut: Ox Bow Press.
2. Gladyshev, Georgi (2009).What is Thermodynamics?
http://endeav.net/news/39-thermodynamics-evolution-life.html
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/what-is-thermodynamics/3hr52gyju6t3d/16
3. Gladyshev, G. (2003). Supramolecular Thermodynamics – a Key to Understanding the Phenomenon of Life (in Russian) Moscow – Izhevsk. ISBN: 59397-21982.
4. Thims, Libb (2009). The Encyclopedia of Human Thermodynamics. http://www.eoht.info/
5. Sychev, V.V. (1986) Thermodynamics of Complex Systems М.: Energoatomizdat. p. 208.
6. Sychev, V.V. (1973). Complex Thermodynamic Systems. New York – London. Consultants Bureau.
7. Gladyshev G.P. On the Thermodynamics of Biological Evolution // Journal of Theoretical Biology.- 1978.- Vol. 75.- Issue 4.- Dec 21.-P. 425-441. Preprint, May, 1977.
8. Gladyshev G. P. (2009). HIERARCHICAL THERMODYNAMICS – GENERAL THEORY OF EXISTENCE AND LIVING WORLD DEVELOPMENT http://knol.google.com/k/hierarchical-thermodynamics-general-theory-of-existence-and-living-world
9.Gladyshev Georgi (2009). Математическая физика и теория эволюции живой материи. История и современность. http://knol.google.com/k/математическая-физика-и-эволюция-живой-материи
10. Gladyshev, Georgi (2009). Evolution: spontaneous and non-spontaneous processes.
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/evolution-spontaneous-and-non/3hr52gyju6t3d/24
11. Gladyshev G.P. Life is inalienable component of matter evolution // Adv. Gerontol. – 2005. – Vol.16. – P.21-29.
Gladyshev Georgi P. The Principle of Substance Stability is Applicable to all Levels of Organization of Living Matter // Int. J. Mol. Sci. – 2006.- 7.- P. 98-110.http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf