Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Стационарное состояние. Теорема Пригожина. Термодинамическое равновесие. Устойчивое и неустойчивое стационарное состояние. Принцип Ле-Шателье
Состояние системы, при котором ее параметры не изменяются в течение длительного времени, но происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой, называют стационарным. В стационарном состоянии открытой системы концентрация промежуточных продуктов не изменяется со временем, что достигается определенным соотношением различных физико-химических процессов, ответственных за распад и образование промежуточных соединений. Живой организм в каждый момент времени не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, если рассмотреть средние значения его параметров за сравнительно большой промежуток времени, можно отметить их постоянство и утверждать, что стационарное состояние характерно для организма. Так, с большим постоянством поддерживается температура определенных органов и тканей у теплокровных животных, сохраняется неизменный солевой состав и водородный показатель (рН) различных биологических жидкостей, не изменяются в ходе нормальной жизнедеятельности величины биопотенциалов покоя, осмотического давления. В открытых системах суммарное изменение энтропии в стационарном состоянии равно нулю. Стационарное состояние биологической системы поддерживается, когда увеличение энтропии системы за счет происходящих в ней необратимых процессов компенсируется оттоком энтропии при взаимодействии с окружающей средой. Особенности стационарного состояния и термодинамического равновесия:
Сходство термодинамического равновесия и стационарного состояния системы заключается в том, что стационарное состояние, так же как и термодинамическое равновесие, сохраняет все основные параметры неизменными. Энтропия системы, находящейся в стационарном состоянии, имеет некоторую постоянную величину, не равную максимальной. Поэтому наиболее характерными свойствами стационарного состояния являются стремление системы к минимуму ежесекундного прироста энтропии и определенная внутренняя стабильность и упорядоченность. В организме поддерживается гомеостаз в течение времени, протекающего от рождения до смерти. Уровни стационарных состояний в течение онтогенеза постоянно изменяются. У детей уровень Са2+ в костях с их ростом увеличивается, изменяется количество зубов, волос и т. д. Это примеры перехода на новые стационарные уровни, примеры необратимых изменений. Живой организм может изменить уровень стационарного состояния в результате воздействия окружающей среды и при патологических процессах. Одной из важнейших характеристик биологических систем является устойчивость стационарных состояний. Устойчивое стационарное состояние характеризуется тем, что при отклонении системы от стационарного уровня в ней возникают силы, стремящиеся вернуть ее в первоначальное положение. Внешние воздействия вызывают в неустойчивой стационарной системе нарастающие изменения, в результате которых система переходит или в устойчивое стационарное состояние (при дополнительной затрате энергии), или в состояние термодинамического равновесия. Диаграмма устойчивого (а) и неустойчивого (b) стационарных состояний в открытой системе Если построить график зависимости Т∙ dS/dt от h (где Т - температура, dS/dt - скорость производства энтропии, h - какой-либо показатель стационарного уровня системы), то для устойчивого стационарного состояния график будет представлен в виде параболы, ветви которой направлены вверх. При неустойчивом стационарном состоянии ветви параболы направлены вниз. Точка А является наиболее устойчивой. Если же поместить шарик во внутрь параболы, то его положение наиболее устойчиво. Таким образом, устойчивое стационарное состояние характеризуется тем, что система не может самопроизвольно выйти из него за счет внутренних изменений (шарик из точки А не может скатиться в точку В самопроизвольно, для этого нужно совершить работу). Точка Ai - наиболее неустойчивое состояние системы, так как под влиянием любого внешнего толчка шарик, помещенный в эту точку, быстро удаляется от нее. Любое отклонение от уровня стационарности вызовет в системе увеличение скорости продуцирования энтропии. Для точки А скорость производства энтропии будет меньше, чем для точки В.
Система, которая функционирует в одном из двух устойчивых стационарных состояний, характеризуется триггерными свойствами, обеспечивающими направленные и скачкообразные переключения из одного стационарного состояния в другое. Например, при раздражении нервного волокна состояние возбуждения, возникающее по принципу " все или ничего", наступает скачкообразно после достижения порога возбуждения. Триггерные свойства биологических систем определяют и процесс клеточной дифференциации, когда при делении возникают дочерние клетки, качественно отличные от клеток-предшественников.
|