Изменение энтропии в открытых системах

Рассмотренные нами законы термодинамики являются обобщением опыта наблюдений над изолированными системами. В изолированной системе состоянию равновесия отвечает состояние максимального хаоса, такая система всегда возвращается в положение равновесия, характеризующегося максимальной энтропией. Однако существует громадное количество неизолированных систем, процессы в которых более сложны. Поведение таких систем мы рассмотрим в этом разделе.

Система называется открытой, если она может обмениваться с окружающей средой энергией, веществом или информацией. Именно такими системами являются многие реальные объекты как живой, так и неживой природы. Исследование открытых систем возможно только на основании термодинамики неравновесных процессов.

И.Р. Пригожин сформулировал расширенный вариант второго закона термодинамики для открытых систем. В открытой системе изменение энтропии будет обусловлено не только процессами внутри системы, в которых энтропия не может убывать, но и процессами обмена энергией и веществом с окружающей средой, в которых энтропия может как возрастать, так и убывать.

Пусть dS_e – изменение энтропии за счет взаимодействия с внешней средой, а dS_i – изменение энтропии за счет внутренних процессов. Тогда изменение энтропии dS открытой системы состоит из суммы двух членов:

dS =dS_e+ dS_i . (2.5.1)

Изменение энтропии за счет внутренних процессов dS_i может быть только положительным (второе начало термодинамики), в таких случаях говорят о производстве энтропии внутри системы. Изменение энтропии за счет взаимодействия с внешней средой dS_e может быть как положительным, так и отрицательным.

В стационарном состоянии dS=0, следовательно, dS_e = – dS_i. Если изменение энтропии, обусловленное связью с внешней средой, отрицательно и превосходит по величине приращение энтропии внутри системы, то суммарное изменение энтропии будет отрицательно. Это означает, что энтропия внутри системы будет убывать и, следовательно, станет возможным увеличение порядка в системе. Естественно, это произойдет за счет уменьшения порядка в окружающей среде.

Таким образом, эволюцию к более высокому порядку можно представить как процесс, в котором система достигает состояния с более низкой энтропией по сравнению с энтропией в начальном состоянии. По формулировке Пригожина система эволюционирует к стационарному состоянию, характеризуемому минимальным производством энтропии.