Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Разработка общей теории и методов анализа неравновесных процессов и неравновесных состояний — главная задача и содержание неравновесной термодинамики. Эта задача сложна и пока далека от своего решения, но она имеет принципиальный характер. В отличие от термодинамики равновесных процессов, базирующейся на единственной и четко формулируемой модели, неравновесная термодинамика в настоящее время не располагает подобной теоретической основой. Более того, сейчас даже неясно, возможна ли аналогичная теоретическая унификация этой области. Как показано ниже, природа и характерные особенности многих неравновесных процессов определяются взаимообусловленностью статистических свойств макроскопической системы и конкретных свойств ее составляющих микроскопических частиц. И тем не менее в 50-х годах нашего столетия произошел решительный переворот во взглядах на неравновесные процессы; были сформулированы общие положения, позволившие начать строить неравновесную Термодинамику, не конкретизируя объект исследования с точки зрения его молекулярного строения. Суть происшедших сдвигов заключалась в осознании созидательных функций необратимых процессов в органическом и неорганическом мире. Это нашло отражение в трех сформулированных И. Пригожиным тезисах [318].
1. Понятие о необратимых процессах не менее важно, чем понятие об обратимых процессах, и имеет самостоятельное значение. Оно 442
отнюдь не сводится только к дополнительным ограничениям законов, обратимым по времени.
2. Необратимые процессы играют существенную конструктивную роль в физике, химии и биологии. Они лежат в основе важных когерентных процессов, с особой отчетливостью проявляющихся на биологическом уровне.
3. Необратимость тесно связана с динамикой, и можно сказать, что необратимость возникает там, где основные понятия классической и квантовой механики (такие, как траектории и волновые функции) перестают соответствовать наблюдаемым.
Развитие современной термодинамики началось с формулировки ряда постулатов, которые не могут быть строго обоснованы в рамках макроскопических представлений и не являются столь же широкими обобщениями, как первые три начала термодинамики. Можно тем не менее утверждать, что выдвинутые положения, которые рассматриваются ниже, справедливы по крайней мере в случае малых отклонений от равновесия. Вместе с известными началами классической термодинамики новые положения, представляющие собой обобщения соответствующих экспериментальных данных, составили теоретическую основу линейной термодинамики неравновесных процессов. В отличие от равновесных статистических ансамблей характеристики неравновесных макроскопических систем изменяются со временем, а термодинамические параметры имеют разные значения в различных точках системы, т.е. зависят от координат. Существование в системе разности величин какого-либо интенсивного параметра (температуры, давления, концентрации) ведет к возникновению потока некоторого экстенсивного параметра (в конечном счете, вещества и энергии). Скорость переноса экстенсивной величины вследствие выравнивания интенсивного фактора в реальных условиях не будет бесконечно малой, как в случае равновесного, обратимого процесса. К типичным примерам неравновесной системы такого рода можно отнести: поток газа при наличии градиента плотности; поток жидкости, вызванный разностью гидростатических давлений; поток тепла (теплообмен) под действием градиента температуры; поток заряженных частиц в электрическом и магнитном полях и т.д.
Первые исследования в области термодинамики необратимых процессов, а именно теплопроводности, были выполнены в 1822 г. Ж. Фурье. В полученном им дифференциальном уравнении распространения тепла внутри твердого тела учитывались время и производные по времени. В 1826 г. Г. Ом экспериментально установил свой знаменитый закон электрической цепи; Дж. Стокс в 1845 г. разработал теорию движения вязкой жидкости (уравнение Навье—Стокса), а А. Фик в 1855 г. получил уравнение диффузии. Все это эмпирические истоки будущей неравновесной термодинамики. Ее становление в качестве особой области физики началось только в 1931 г., когда JI. Онсагер сформулировал принцип, представляющий собой обобщение физических соображений, лежащих в основе выводов уравнений движения Фурье, Ома, Стокса и Фика.
443
Для разнообразных необратимых процессов в широком интервале экспериментальных условий потоки энергии и массы являются линейными функциями термодинамических сил, т.е. градиентов соответствующих потенциалов (температуры, давления, концентрации). Сама по себе термодинамика не позволяет установить зависимость между величинами потоков той или иной природы, 1„ и силами, вызывающими эти потоки, Xj. Потоки редко бывают однородными и независимыми друг от друга. Например, диффузия сопровождается выравниванием температур, иными словами, поток массы вызывает поток тепла, и между ними возникает непосредственная связь. Л. Онсагер предположил, а опыт показал, что в большинстве случаев это действительно так: при небольших отклонениях от равновесия существует линейная связь между потоками I, и термодинамическими силами Xj (i,j = 1, 2,..., m);
