Стационарное состояние биологической системы. Отличие стационарного состояния от равновесного. Теорема Пригожина

Уравнение Пригожина. Негэнтропия

Применение второго начала термодинамики в биологии.

Основное значение второго начала состоит в предсказании направления протекания процессов в биологической системе. Оно дает единый алгоритм изучения самых различных явлений.

Живой организм является открытой системой, термодинамика которых была разработана в середине прошлого столетия И.Р.Пригожиным и др.. И.Р.Пригожин за эти работы удостоен Нобелевской премии. Полное изменение энтропии Δs открытой системы складывается из изменения энтропии Δs_i за счет внутренних необратимых процессов и изменения энтропии Δs_e за счет обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Δs = Δs_i + Δs_e (26)

В общем случае для открытой системы Δs может быть больше, меньше или равно 0 и в разные моменты времени имеет разное значение. Поэтому ввели величину (ds/dt), названную производством энтропии.

Уравнение Пригожина для открытых систем

(ds/dt)= (ds/dt)_i + (ds/dt)_e (27)

При необратимых процессах, протекающих в системе, (ds/dt)_i > 0, а производство энтропии за счет обменных процессов с окружающей средой (ds/dt)_e<0.

Теперь второе начало термодинамики для открытых систем теперь может быть сформулировано так: в открытых системах внутреннее изменение энтропии всегда положительно, а внутреннее изменение свободной энергии всегда отрицательно.

Биологическая система может удерживаться в неравновесном состоянии за счет того, что она отдает произведенную при необратимых процессах энтропию в окружающую среду или, как говорят, получает «негэнтропию» (отрицательную энтропию) из окружающей среды.

Организм питается свободной энергией окружающей среды:

ΔG=ΔU + T(-Δs) + p ΔV (28)

T(-Δs) – негэнтропия.

Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Состояние гомеостазиса биологической системы обеспечивается взаимодействием внутренней среды организма с внешним миром. Гомеостазис представляет собой стационарное состояние организма высших животных. Термодинамическим критерием стационарного состояния является равенство нулю полного производства энтропии:

(ds/dt)=0 (29) и, следовательно, (ds/dt)_i = - (ds/dt)_e (30)

Стационарное состояние существенно отличается от равновесного.

Равновесное состояние	Стационарное состояние
Все макропараметры постоянны Р=const, V=const, T=const, G=const, s=const и т.д.
В системе не протекают никакие макропроцессы	В системе протекают макропроцессы, обусловленные постоянными во времени внешними причинами
Изолированная система	Открытая система
S= Smax G=Gmin	S< Smax G>Gmin
(ds/dt)i = 0 Энтропия не производится	(ds/dt)i >0, но (ds/dt)i = - (ds/dt)e (ds/dt) = (ds/dt)i + (ds/dt)e = 0

Теорема Пригожина: в стационарном состоянии производство энтропии имеет постоянное и минимальное из всех возможных значение.

(ds/dt) _i >0 = const→ min (31)

Дата добавления: 2014-12-16