Acasă | Despre noi | feedback-ul
Sisteme complexe în chimie. Sisteme de neechilibru. Evoluția și caracteristicile acesteia. De la termodinamica sistemelor inchise la sinergetice. Ipoteza creării de materie
Sisteme complexe în chimie
Pe chimie în secolul XX a fost atribuit o mulțime de speranță, până la proclamarea Uniunii Sovietice sloganul, „Comunismul - este puterea sovietică plus electrificarea întregii țări și utilizarea substanțelor chimice în economia națională.“ Creșterea randamentului culturilor prin utilizarea îngrășămintelor și a pesticidelor a făcut posibilă pentru a vorbi despre o „revoluție verde“, dar, de asemenea, a dus la contaminarea solurilor și a produselor fabricate în sine, astfel încât în produsele de preț mai mari au fost cultivate „fără chimie“. În industrie, substanțe chimice noi au făcut posibilă îmbogățirea substanțială a capacității de producție, dar a avut ca rezultat un impact negativ asupra mediului, deoarece majoritatea noilor substanțe chimice nu sunt digerate mediul natural și, astfel, a devenit, de asemenea, agenții poluanți. Chimia a fost utilizat pe scară largă în viața de zi cu zi, în special în produsele cosmetice (o expresie a „face chimie“), care a avut, de asemenea, latura inversă a mediului.
Dar în această secțiune suntem interesați de felul în care chimia a ajuns să studieze sisteme complexe. O realizare remarcabilă a chimiei a fost că a descoperit așa-numitele reacții în lanț chiar înainte de descoperirea decăderii radioactive în fizică.
reacție H. lanț esență H. Semenov descrie astfel: „energii fotonice suficiente pentru molecula de clor diatomica este împărțită în atomi individuali. Fiecare dintre ele este mai activă decât molecula originală și, prin urmare, reacționează ușor cu molecula de hidrogen. Este, de asemenea, diatomic. Unul dintre atomii săi, împreună cu atomul de clor, dă molecula produsului - acid clorhidric, iar celălalt atom de hidrogen rămâne liber. Acum reacționează ușor cu cea mai apropiată moleculă de clor, formând a doua moleculă de acid clorhidric și un atom de clor separat. Acest lucru se repetă de mai multe ori, ca și în cazul în care există un lanț lung de reacții „(scurt moment Prigogine torzhestva.- M. 1989. - pag. 13).
Cercetătorul sovietic H.N. Semenov a trebuit să deschidă reacții în lanț. "Nu-mi amintesc bine acum, când am avut o bănuială că oxidarea fosforului este diferită de reacția clorului cu hidrogen. Nu-mi amintesc cum am venit cu ideea principală că, în cursul acestei reacții, nu este o moleculă obișnuită de pentaoxid de fosfor formate, iar moleculele excitate - care au un exces de energie, care provoacă emisia de lumină cu un compus de fosfor cu oxigen. Dar, uneori, excitat pentoxid de fosfor, molecula poate ciocni cu molecula de oxigen inactiv, nu reușesc încă să emită lumină. Apoi, energia în exces cauzează molecule de oxigen divizare în atomi activi, fiecare dintre care, la rândul său, începe Boden-Stein cu lant drept vapori de fosfor al reacției de oxidare „(Idem - pp. 13-14).
Teoria reacțiilor în lanț ramificat a dat naștere unei noi direcții de cercetare - fizica chimică, o disciplină intermediară între fizică și chimie.
În chimie au fost descoperite și reacții vibraționale numite "ceas chimic". "La urma urmei, ce se întâmplă de fapt? Baza reacției vibrationale este prezența a două tipuri de molecule care sunt capabile să se transforme unul în celălalt. Să numim una dintre ele A (molecule roșii), cealaltă - B (albastru). Am crezut că o reacție chimică este o coliziune haotică, indusă de coliziune a particulelor. Conform acestei logici, conversiile reciproce ale lui A și B ar trebui să ducă la o culoare medie a soluției, cu blitzuri aleatorii de roșu și albastru. Dar când condițiile sunt departe de echilibru, situația este complet diferită: soluția în ansamblu devine roșie, apoi albastră, apoi roșie din nou. Se pare că moleculele par să stabilească o legătură între ele la distanțe mari, macroscopice, prin intervale mari de timp macroscopice. Există ceva de genul unui semnal prin care toți A sau toți B reacționează imediat. Acest comportament a fost în mod tradițional atribuit doar celor vii - acum este clar că este posibil chiar și pentru sisteme relativ simple, neînsuflețite "(ibid., Pp. 313-314).
Diferențele dintre structura de echilibru și structura de echilibru sunt următoarele:
1. Sistemul răspunde condițiilor externe (câmp gravitațional, etc.).
2. Comportamentul este aleator și nu depinde de condițiile inițiale, ci depinde de preistorie,
3. Afluxul de energie creează ordine în sistem, astfel încât entropia sa scade.
4. Prezența unei bifurcații este un punct de cotitură în dezvoltarea sistemului.
5. Coerența: sistemul se comportă ca un singur întreg și ca și cum ar fi un container cu forțe de rază lungă (o astfel de ipoteză este prezentă în fizică). În ciuda faptului că forțele interacțiunii moleculare sunt de scurtă durată (acționând la distanțe de ordinul 10-8 cm), sistemul este structurat ca și cum fiecare moleculă ar fi "informată" despre starea sistemului ca un întreg.
Există, de asemenea, zone de echilibru și dezechilibru în care sistemul poate locui. Comportamentul ei în acest caz variază în mod semnificativ, care poate fi reprezentat în tabel:
5. Incertitudinea fundamentală a comportamentului sistemului.
5. Comportamentul sistemului, determină dependențele liniare.
Fiind lasata la sine, in absenta accesului energiei din exterior, sistemul tinde spre starea de echilibru - cea mai probabila stare atinsa cu entropie zero. Un exemplu de structură de echilibru este un cristal.
La această stare de echilibru, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, vin toate sistemele închise, adică sistemele care nu primesc energie din exterior. Sistemele tip opuse sunt numite deschise.
Studiul stărilor de neechilibru ne permite să ajungem la concluzii generale despre evoluția în natură neînsuflețită de la haos la ordine.
Evoluția și caracteristicile acesteia
Conceptul de haos, spre deosebire de conceptul cosmosului, a fost cunoscut vechilor greci. Prigogine și Stengers numesc toate sistemele haotice care duc la o reprezentare ireductibilă în termeni de probabilități. Cu alte cuvinte, astfel de sisteme nu pot fi determinate fără echivoc determinist, adică să cunoască starea sistemului la un anumit moment, să prezică cu exactitate ce se va întâmpla în acest moment.
"Extrapolarea descrierii dinamice. o imagine vizuală - un demon, Laplace fictive și are capacitatea, acceptând în orice moment, având în vedere poziția și viteza fiecărei particule din univers, pentru a vedea în mod clar evoluția sa în viitor, și în trecut. În contextul dinamicii clasice descriere determinist poate fi imposibil de atins în practică, aceasta rămâne totuși o limită la care trebuie să conveargă o secvență de descrieri exacte din ce în ce „(Prigogine, I. Stengers. Comanda de la haosa.- 1986.- M. S. 124).
Comportamentul haotic este în principiu imprevizibil. Ireversibilitatea, probabilitatea și aleatoria devin proprietăți obiective ale sistemelor haotice la nivel macro, și nu numai la nivel mic, așa cum sa stabilit în mecanica cuantică.
"Modelele considerate de fizica clasică corespund, după cum înțelegem acum, doar situațiilor limitative. Ele pot fi create artificial prin plasarea sistemului într-o cutie și așteptare până când ajunge la o stare de echilibru. Artificia poate fi deterministă și reversibilă. În mod natural, naturale conține elemente ale aleatorității și ale ireversibilității. Materia nu mai este o substanță pasivă descrisă în cadrul imaginii mecanice a lumii, ea are și activitate spontană "(ibid., P. 50)
Evoluția trebuie să satisfacă trei cerințe: 1) ireversibilitatea, exprimată prin ruperea simetriei dintre trecut și viitor; 2) necesitatea introducerii conceptului de "eveniment"; 3) unele evenimente trebuie să aibă capacitatea de a schimba cursul evoluției.
Condiții de formare a structurilor noi: 1) deschiderea sistemului; 2) amplasarea sa este departe de echilibru; 3) prezența fluctuațiilor.
Cu cât sistemul este mai complex, cu atât mai multe tipuri de fluctuații amenință stabilitatea acestuia. Dar în sistemele complexe există legături între diferite părți. Pragul stabilității sistemului depinde de rezultatul concurenței dintre stabilitatea furnizată de cuplare și instabilitatea datorată fluctuațiilor.
După depășirea acestui prag, sistemul intră într-o stare critică, numită punctul de bifurcare. În ea, sistemul devine instabil în raport cu fluctuațiile și se poate muta într-o nouă regiune de stabilitate, adică la formarea unei noi substanțe. Sistemul pare să ezite înainte de a alege una din mai multe căi evolutive. O fluctuație mică poate servi în acest moment ca începutul evoluției într-o direcție complet nouă, care va schimba dramatic toate comportamentele sale. Acesta este un eveniment.
La punctul de coincidență bifurcare împinge ceea ce rămâne a sistemului, un nou mod de dezvoltare, și după ce este ales unul dintre mai multe opțiuni, re-intră în vigoare determinism - și așa mai departe la următorul punct de bifurcare. În soarta sistemului, aleatoritatea și necesitatea sunt reciproc complementare.
Potrivit Prigogine și Stengers, cele mai multe sisteme sunt deschise - schimbă energie sau substanță sau informații cu mediul. Rolul principal jucat de ordinea nu este în lume, stabilitatea și echilibrul, precum și instabilitatea și dezechilibrarea, adică. E. Toate sistemele sunt în mod constant fluctua. Punctul critic de fluctuație bifurcare ajunge la o asemenea putere încât sistemul nu menține organizarea și nimicite, și în mod fundamental imposibil de prezis: va starea de haotică a sistemului, sau se va muta într-o nouă, mai diferențiată și înalt nivel de ordine, pe care au numit-o structură disipativ. Structurile noi sunt numite disipative, deoarece pentru a le menține necesită mai multă energie decât pentru a menține structurile mai simple pe care le înlocuiesc.
Structurile disipative există doar în măsura în care sistemul disipă (disipează) energia și, prin urmare, produce entropie. Din energie există un ordin cu o creștere a entropiei totale. Astfel, entropia - nu doar non-stop sistem de alunecare la starea, lipsit de orice fel a fost organizația (așa cum credea susținătorii „moartea termică“ a universului), și devine strămoșul ordinului în anumite condiții.
Cu aceleași condiții limită, multe structuri disipative diferite sunt compatibile. Aceasta este o consecință a caracterului neliniar al situațiilor extrem de neechilibrate. Diferențele mici pot duce la consecințe la scară largă. În consecință, condițiile de graniță sunt necesare, însă nu sunt suficiente pentru a explica motivele apariției structurii. De asemenea, este necesar să se țină seama de procesele reale care conduc la "alegerea" uneia dintre posibilele structuri. De aceea (și, de asemenea, din alte motive) atribuim unor astfel de sisteme "autonomie" sau "autoorganizare".
Studiile, care tocmai au fost menționate, se desfășoară în cadrul unei științe numite synergetics.
Trimiteți-le prietenilor: