Sisteme deschise abstract și auto-organizare - o bancă de rezumate, eseuri, rapoarte, cursuri și

Sisteme deschise

Un sistem deschis este un sistem care schimbă materia și energia cu mediul. Există proprietăți ale sistemelor deschise care sunt departe de starea de echilibru: ele sunt instabile și revenirea la starea inițială este opțională. La un anumit punct, numit bifurcație (ramificare), comportamentul sistemului devine ambiguu.

În prezența instabilității, rolul influențelor externe se schimbă. În anumite condiții, un impact neglijabil asupra sistemului deschis poate duce la consecințe imprevizibile semnificative (dezvăluirea instabilității).

În sistemele deschise departe de echilibru apar efecte de potrivire atunci când elementele sistemului corelează comportamentul lor la distanțe macroscopice prin intervale de timp macroscopice. Un astfel de comportament cooperativ, consecvent este tipic sistemelor de diferite tipuri: molecule, celule, neuroni, indivizi etc.

Ca urmare a interacțiunii coordonate, există procese de ordonare, apariția din haosul unor structuri, transformarea și complicația lor. Cu cât este mai mare deviația de la echilibru, cu cât acoperirea corelațiilor și interrelațiilor este mai mare, cu atât mai mare este consecvența proceselor, chiar și a celor care au loc în zone îndepărtate și aparent fără legătură între ele. Procesele în sine caracterizează nelinearitatea, prezența feedback-urilor și capacitățile de control aferente ale sistemului.

Teoria statelor care sunt departe de echilibru a apărut ca urmare a sintezei a trei domenii de cercetare:

1. Dezvoltarea metodelor de descriere a proceselor esențialmente de echilibru bazate pe fizica statistică. În cadrul acestei direcții, se creează modele cinetice, se determină parametrii necesari pentru descriere, se corelează, se detectează fluctuațiile pe scară largă și se stabilesc legile tranziției către echilibru.

2. Dezvoltarea termodinamicii sistemelor deschise, studiul stărilor staționare care păstrează stabilitatea într-o anumită gamă de condiții externe, căutarea condițiilor pentru autoorganizare, adică apariția structurilor ordonate de la cele dezordonate. Sa demonstrat că procesele de disipare a energiei sunt o condiție necesară pentru auto-organizare, de aceea structurile emergente sunt numite disipative.

G. Haken a propus să numească acest domeniu de sinergie de cercetare (din greacă "synergetic" - un comun, coerent).

3. Determinarea modificărilor calitative în soluțiile ecuațiilor diferențiale neliniare care determină stări departe de echilibru, în funcție de parametrii de intrare. Această secțiune de matematică a fost numită teoria catastrofelor. Cu ajutorul său, se descrie restructurarea calitativă a structurii generale a deciziilor - se determină o catastrofă, limitele stabilității și schimbările în structura statelor.

Sinteza acestor trei direcții a dat un nou câmp de cunoaștere care se ocupa de descrierea stărilor departe de echilibru. Cu ajutorul său, a fost posibilă formularea unei abordări generale a unui set întreg de fenomene ale naturii și ale societății. Se numește diferit: synergia, teoria sistemelor deschise, teoria structurilor disipative, termodinamica proceselor ireversibile. Există nume asociate cu proprietățile instabilității, neliniarității.

Punctul de plecare pentru acest domeniu de cercetare a fost cinetica clasică a proceselor în gaze, începută de Maxwell și Boltzmann.

Apoi, domeniul cercetării sa extins în sisteme slab echilibrate în medii și condiții diferite. Din 1950, un studiu amplu a început de sisteme care sunt departe de starea de echilibru datorită acțiunii câmpurilor puternice și radiațiilor dure de altă natură.

Un factor calitativ nou a apărut pe scenă: cuantificarea stărilor energetice ale moleculelor. Anterior, în esență, a fost luată în considerare numai mișcarea translațională a particulelor fără structură. Cu o abatere puternică față de starea de echilibru, excitația acoperă diferite grade de libertate a moleculelor - rotativ, vibrațional și electronic. Este necesar să se ia o explicație detaliată a structurii cuantice a materiei. În aceste condiții, particulele nu mai pot fi considerate ca fără structură, dar este necesar să se ia în considerare evoluția lor în spațiul de fază a multor grade de libertate.

Proprietățile atomilor și moleculelor în diferite stări de energie sunt diferite. Datorită proceselor de neechilibru, există o redistribuire rapidă a populațiilor pe un număr mare de termeni și nu se știe care dintre ele va fi cea mai reactivă în acest sistem particular. Prin urmare, reacția unui sistem substanțial neechilibrat la un efect extern poate fi neașteptată. Un exemplu este disocierea moleculelor poliatomice (oscilatoare anarmonice) la răcirea gazului în condiții de pompare a energiei. Acest efect a fost folosit pentru a obține atomi liberi la temperaturi scăzute, care au jucat un rol semnificativ în dezvoltarea de lasere chimice. Un alt exemplu de comportament netrivial al unui sistem substanțial de neechilibru îl reprezintă răcirea pe termen scurt a dioxidului de carbon în absorbția prin rezonanță a radiației de către o moleculă de CO2.

În acest caz, în principiu, atunci când se analizează sisteme deschise, parametrii externi joacă rolul autorităților de reglementare, prin care pot fi controlate procesele. Un aspect foarte important este că costurile de energie ale controlului cu aceste regulatoare sunt mult mai mici decât sunt necesare pentru a obține același efect în condiții de echilibru. Iar eficiența impactului depinde de gradul de dezechilibru al sistemului.

Într-o serie de cazuri, elementele sistemului încep să funcționeze în condiții de neechilibru într-o manieră consecventă, dezvăluind proprietăți care nu sunt inerente unei particule individuale. Aceste proprietăți generale sunt numite proprietăți coerente sau cooperative. Când sistemul se apropie de starea de echilibru, în primul rând, legăturile coerente sunt defalcate și apoi legăturile determinate de populațiile de energie. Coerența este determinată de apariția corelațiilor (interrelații și interdependențe) între particule. Din punct de vedere matematic, acest lucru este exprimat de necesitatea de a considera funcția de distribuție a unei singure particule, ci a mai multor interacțiuni. NN Bogolyubov a dezvoltat o abordare unificată a luării în considerare a întregului set de funcții de distribuție - lanțuri de ecuații pentru funcții succesive ale unui număr tot mai mare de particule interacționate.

Această metodă se numește lanț BBGKI, oamenii de stiinta numit care au adus o contribuție majoră la dezvoltarea lor: Bogolyubov, M. Born, H.Grin, I.Kirkvud, J. Yvon. Deoarece fn funcția n variabile (x1, x2. Xn-1, t) ia în considerare corelarea n particule. Dacă corelația scade și scala interacționează numai n-1 particule, procedeul continuă fn-1 (,, t x1 x2. Xn-1) funcția. Când netezirea dezechilibru (trecerea la o stare de echilibru) corelații sunt distruse, set de caracteristici necesare pentru a descrie comportamentul sistemului redus, iar funcțiile sunt dependente de mai puține și mai puține particule.

În limită, rămân numai funcțiile de distribuție a particulelor unice, ale căror ecuații formează baza cineticii obișnuite.

Metoda lanțului BBGKY a avut o importanță deosebită în fizica statistică fără echilibru. Aceasta a fost, în esență, o nouă abordare a problemei ireversibilității. Într-un sistem închis, ecuațiile dinamicii (clasice sau cuantice) sunt reversibile, adică înlocuirea lui t cu -t nu le schimbă. Dacă lanțul este rupt, atunci când corelația dintre ordinele superioare este încălcată, apare ireversibilitatea. În acest caz, cauza ireversibilității este clar vizibilă.

Distrugerea corelației poate fi cauzată de influențele externe. Dar sistemul mai mare și ordonat, cu atât este mai mare scala corelațiilor. Aceasta înseamnă că acționează între un număr mare de particule, la distanțe mari și pentru o perioadă lungă de timp. În consecință, este nevoie de un impact mai mic pentru a rupe o astfel de corelare complexă. Și întrucât nu există absolut niciun sistem izolat, ireversibilitatea lumii noastre se află în natura lucrurilor datorită legăturii universale.

În cazul sistemelor izolate (închise), în care nu există schimburi cu mediul extern, ireversibilitatea exprimat prin celebra doua lege a termodinamicii, potrivit căreia există o funcție a variabilelor starea sistemului se modifică monoton în procesul de aproximare a stării de echilibru termodinamic. De obicei, în entropia este selectată ca o funcție a statului, iar a doua lege este formulat după cum urmează: „Derivat de entropie în raport cu timpul nu este negativ“ În mod tradițional, această afirmație este interpretată ca o „tendință de creștere tulburare“ sau „producția entropie“.

În cazul sistemelor neizolați care fac schimb de energie cu mediul sau materialul, variația entropiei este cauzată de procese din cadrul unui sistem (producție de entropie) și schimburile cu mediul extern (flux de entropie). În cazul în care producția de entropie, în conformitate cu cea de a doua lege a termodinamicii este non-negativă, atunci „fluxul de entropie“ poate fi atât pozitive, cât și negative. În cazul în care fluxul de entropie este negativ, atunci anumit stadiu de evoluție poate avea loc la o scădere totală a entropiei. Recent, în conformitate cu interpretarea tradițională, aceasta înseamnă că „în cursul evoluției dereglare va scădea ca urmare a fluxului de entropie.“

Exemple de auto-organizare în natură neînsuflețită

Celulele lui H. Benard. Un exemplu clasic al originii structurii este celula de convecție Benar. Dacă se toarnă un ulei mineral într-o tigaie cu fundul neted, rumegușul de aluminiu fin este amestecat pentru claritate și începe să se încălzească, vom obține un model destul de grafic al unui sistem deschis de auto-organizare. Cu o diferență mică de temperatură, transferul de căldură din stratul inferior de ulei către cel superior se datorează numai conductivității termice, iar uleiul este un sistem tipic deschis, haotic. Dar la o diferență de temperatură critică între straturile inferioare și superioare ale uleiului, structurile comandate apar în el sub formă de prisme hexagonale (celule convective), așa cum se arată în figura 1.

În centrul celulei, uleiul se ridică și, la margini, coboară. În stratul superior al prismei hexagonale se deplasează de la centrul prismei până la margini, în partea inferioară - de la margini la centru. Este important de observat că, pentru stabilitatea fluxurilor de fluid, reglarea încălzirii este necesară și se produce în mod autonom. Apare o structură care menține rata maximă a fluxurilor de căldură. Deoarece sistemul schimbă cu mediul numai cu căldură și în starea de echilibru (la T1) primește căldură la fel de mult ca și pe care o dă (la T2 <Т1), то

și anume structura internă (sau autoorganizarea) este menținută prin absorbția entropiei negative sau negentropiei din mediul înconjurător. Astfel de celule convective se formează în atmosferă dacă nu există o cădere de presiune orizontală.

Lucrări laser. Mediul de lucru al unui laser solid este o tijă de rubinie, la capetele căreia sunt instalate două oglinzi calitative (un rezonator). Cu ajutorul unei lampi puternice de pompare, atomii rubinului intră într-o stare excitată și încep să emită. Inițial, radiația lor este haotică, independentă una de cealaltă, iar laserul funcționează ca o lampă obișnuită. Dar, la o anumită valoare (critică) a puterii de pompare, laserul funcționează dintr-o radiație haotică până la o auto-consecventă. Radiația colectivă a atomilor devine coerentă; ordonat.

Ceasul chimic. Auto-organizarea în sistemele chimice este asociată cu introducerea de noi substanțe din exterior, care asigură continuarea reacției și excreția deșeurilor în mediul înconjurător.

Trebuie remarcat faptul că oscilațiile apar în apropierea unei stări instabile, departe de starea de echilibru. (Stări staționare stabile, astfel de oscilații periodice sunt imposibile)

Încercările de a explica mecanismele de auto-organizare, care au început, de fapt, încă din secolul al XVIII-lea, științele sociale nu au depășit. Fondatorul economiei clasice, Adam Smith (1723-1790) în lucrarea sa principală „cercetare asupra naturii și cauzele Avuția națiunilor“, a arătat că ordinea spontană a pieței este rezultatul interacțiunii dintre diferite, de multe ori opuse aspirațiilor, obiectivele și interesele participanților. O astfel de interacțiune duce la stabilirea ordinii planificate a nimănui, care este exprimată în echilibrul ofertei și ofertei. A. Smith a folosit metafora "mâinii invizibile", care reglementează prețurile de pe piață.

Modelul stochastic al procesului de formare a opiniei publice a fost construit de G. Haken în opera sa "Synergetics". Aici principala dificultate a fost alegerea variabilelor macroscopice care descriu societatea. G. Haken a făcut un exemplu destul de simplu. El a folosit ca parametri de ordine numărul de persoane cu opiniile corespunzătoare - pentru (+) și minus (-). Apoi formarea opiniei publice a fost descrisă printr-o schimbare în aceste numere. În absența influențelor externe, au fost posibile două rezultate. Datorită schimbărilor frecvente de puncte de vedere, se obține o distribuție unică a opiniilor în echipă și, cu o stabilitate considerabilă a legăturilor dintre indivizi, se formează două opinii opuse, care corespund stării de polarizare a societății. Acest model permite explicarea calitativă a situațiilor instabile, când caracteristica stării sociale, în funcție de conexiunea indivizilor, se apropie de valoarea critică (punctul de bifurcare).

Sinteze și economie. După cum sa menționat deja, sistemele de auto-organizare sunt sisteme deschise, schimbul liber de energie, fluxuri de materiale și informații cu mediul extern și alte sisteme. În cazul pieței, este fluxul liber de capital, muncă și bunuri. Activitatea intenționată a participanților - participanții la proces în condiții de influențe externe și concurență face ca sistemul să fie asimetric și neechilibrat, adică o duce departe de starea de echilibru (maximul entropiei).

Cooperarea și concurența firmelor sunt procese de auto-organizare. Prin modelarea sinergică a pieței ca sistem de auto-organizare pentru a maximiza profiturile, este necesar să se rezolve ecuațiile de echilibru diferențial, să se aplice sistemele informatice de procesare a informațiilor și noile tehnologii informaționale.

În sistemele de neechilibru, pe lângă cunoașterea ecuațiilor de echilibru, apare sarcina formalizării și contabilizării relației de ordine și de dezordine (respectiv entropie și negentropie). Această problemă nu este atât de simplă. Piața acționează aici ca indicator, descoperind rapid bunuri lentă, a căror producție este neprofitabilă și duce la o creștere a entropiei.

Produse de înaltă calitate, o cerere mare și volum mare de producție (toate feedback-ul pozitiv), dimpotrivă, crește Negentropiei, ordinea, întrucât accelerează procesele de producție și de schimb, creșterea ocupării forței de muncă, mai bine satisface nevoile societății, creșterea nivelului de trai al oamenilor. După ceva timp, odată cu extinderea problemei există o saturare a pieței acestui produs, vine un punct de echilibru între cerere și ofertă, dar firmele concurente au însușit de această dată noile produse introduse pe piață a unor noi produse cu o calitate mai mare. Relațiile de mărfuri-bani sunt activate din nou. Iar când sunt mulți producători, noi oferte sunt primite în mod continuu. Astfel, piața nu este echilibrată și se menține eficiența funcționării sistemului economic.

Sinergice pentru descrierea evoluției. Dezvoltarea spirală. Fenomenele de dezvoltare pot fi considerate ca o luptă între două tendințe opuse: organizarea și dezorganizarea. Este convenabil să le analizăm în legătură cu conceptul de entropie. Conceptul de entropie este acum dincolo de sfera interpretării sale termodinamice (măsurarea disipării energiei termice într-un sistem termodinamic închis

Articole similare

• Metodologia de diagnosticare a pacienților toracici - o bancă de rezumate, eseuri, rapoarte, cursuri

• Rezumat manifestări endocrine ale neoplasmelor - o bancă de rezumate, eseuri, rapoarte, cursuri și

• Metode abstracte de combatere a fumatului - o bancă de rezumate, eseuri, rapoarte, lucrări de curs și diplomă

Trimiteți-le prietenilor: