Стационарные неравновесные состояния

Как известно из классической термодинамики, при изоляции физической системы от внешних воздействий с течением времени она начинает стремиться к состоянию равновесия, которое характеризуется максимумом энтропии. Но могут существовать так называемые граничные условия, которые при наложении на систему, не позволят ей достичь равновесия. Например, для атмосферы Земли, таким граничным условием является существование быстрых атомов, молекул или ионов. Уход их из ее верхних слоев в космическое пространство (явление убегания атмосферы) при скоростях выше второй космической скорости (11,2 км/с) не позволяет газу без стенок находиться в равновесии, которым и является атмосфера.

При не зависимости граничных условий от времени (поддержание постоянного перепада температур пли разности давлений в системе) достигается стацио­нарное, неравновесное состояние или просто стационарное состояние. Стационарное состояние и равновесие не являются тождественными понятиями, так как равновесие, как уже говорилось, характеризуется максимумом энтропии пли равенством нулю производства энтропии.

Во многих областях физики встречаются и играют огромную роль стационарные состояния. Это обусловлено тем, что системы, подвергающиеся постоянным (или почти постоянным) внешним воздействиям, подавляющую часть времени проводят в стационарном состоянии.

Например, в гидродинамике изучаются течения при постоянном перепаде давления или при фиксированных температурах на граничных поверхностях, как при полете самолета или обтекании модели в аэродинамической трубе. В химической технологии большинство процессов также проходит в стационарных условиях. Поступающие в систему из внешней среды реагенты преобразуются в продукты, которые забираются из системы и снова возвращаются во внешнюю среду. Если концентрации промежуточных соединений не меняются со временем, возникает стационарное состояние.

Можно сказать, что стационарные состояния являются этапом в эволюции системы к равновесию. Стационарные состояния существуют в ограниченном интервале времени. При выходе из этого интервала стационарные состояния начинают медленно эволюционировать в другие стационарные состояния или к равновесию.

Если стационарные равновесные состояния характеризуются, как уже говорилось, максимумом энтропии, то возникает вопрос: каким экстремальным свойством характеризуется стационарное неравновесное состояние? (Для большей конкретизации и иллюстрации ответа на этот вопрос прерывные системы, фонтан-эффект и механокалорический процесс в гелии и непрерывные системы, термодиффузионное разделение изотопов смотри в исследовательской литературе[2]).

Как уже отмечалось, в стационарных состояниях характеристики системы не зависят от времени. Полная энтропия системы не меняется, но и постоянно возникает энтропия в неравновесной системе. Если существуют отличные от нуля потоки и силы, то и производство энтропии будет отличным от нуля . Тогда полная энтропия не будет меняться лишь в том случае, если одновременно из внешней среды в рассматриваемую систему все время поступает отрицательная энтропия, компенсирующая производство энтропии внутри системы. Это значит, из окружающей среды энтропии поступает меньше, чем отдается обратно в среду за тот же промежуток времени, т. е. образуется поток отрицательной энтропии. Э. Шредингер выразился по этому поводу следующим образом: «организм питается отрицательной энтропией»[3]. Конечно же, организму для питания кроме отрицательной энтропии необходима еще и положительная энергия.

Поиск по сайту: