![]() |
|
|
ТЕРМОДИНАМИКА ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ, изучает сложные гетерог. химический и биологическое системы,
прежде всего открытые системы, обменивающиеся со средой веществом и энергией.
В зависимости от целей и задач исследования протекающие в этих системах процессы
могут рассматри-заться как неравновесные или как равновесные (квазиравновесные),
а состояние системы-как нестационарное или как стационарное (квазистационарное).
Подход ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с. состоит в
представлении подобной системы в виде совокупности соподчиненных подсистем,
иерархически связанных расположением в пространстве (структурная или пространств.
иерархия) и(или) временами установления равновесия при релаксации (временная
иерархия). В каждый момент времени
система (или одна из подсистем) может быть охарактеризована средними удельными (по
объему или по массе) функциями состояния, стремящимися к экстремуму при достижении
равновесия (обладающими экстремальными свойствами). Изменение состояния системы
(подсистемы) во времени (эволюция системы) исследуется по изменениям этих функций.
Используется главным образом функция Гиббса (энергия Гиббса) G*(p, Т, Хi),
где p -давление, Т-температура, Xi-обобщенная сила (любой
интенсивный параметр состояния, за исключением давления); для сложной системы
G* = U + pV— Xixi — TS, где U- внутр.
энергия, V- объем, хi - обобщенная координата (любой
экстенсивный параметр состояния, за исключением объема), S-энтропия;
величины p, T и Xi являются естественными независимыми
переменными функции G*. Для открытой системы полный дифференциал dG*
записывается в виде: где индекс i обозначает
протекающий в системе процесс взаимодействие между компонентами (химический взаимодействие, межмолекулярное,
взаимодействие надмолекулярных структур и т.п.), ki-компонент, участвующий
в этом процессе, ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ обр., ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с. распространяет
подход Гиббса на сложные открытые гетерог. системы и позволяет практически в
той же степени опираться на методы вариац. исчисления, что и классич. термодинамика;
в принципе у открытых систем не существует термодинамическое функций состояния, характеризующихся
экстремальными свойствами. Для описания эволюции иерархич. систем и их подсистем
используют методы макрокинетики. Примером природные иерархич.
системы является биологическое популяция pop (сообщество организмов), в которой
можно выделить следующей подсистемы: организмы org, клетки cel,
надмолекулярные образования or, макромолекулы mm, молекулы m
и т. д. Все эти подсистемы соподчиненно (иерархически) расположены в пространстве
и обладают иерархией времен релаксации ti (характерных времен
жизни), а именно эти времена, связанные сильными неравенствами и расположенные
в порядке возрастания (или убывания), образуют иерархич. ряд: Осн. понятие ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с.-частная
эволюция [г"-й процесс в формуле (1)], т.е. агрегация ki-х компонентов
системы, участвующих в i-м процессе, на j-м уровне иерархии. В
случае закрытой (простой) физических-химический системы агрегация структурных элементов-неравновесный
самопроизвольный процесс, для которого убыль функции Гиббса можно определить согласно
второму началу термодинамики. Так, неравновесную кристаллизацию жидкости ниже
температуры плавления можно рассматривать как агрегацию зародышей кристаллизации (верх.
иерархич. уровень) в объеме однородной жидкости (ниж. иерархич. уровень). Убыль
функции Гиббса системы можно вычислить по приближенному уравению Гиббса-Гельмгольца
DG = DH(DТ/Тпл), где DH-изменение
энтальпии системы при кристаллизации, DT= Тпл
— Т> 0 (Тпл-температура плавления вещества, Т-температура кристаллизации
переохлажденного вещества). Аналогично можно вычислить убыль функции Гиббса для процессов
агрегации структурных элементов при спирализации цепей ДНК, агрегации молекул
белков или полисахаридов с образованием надмолекулярных структур, агрегации
надмолекулярных образований, клеток и т.д. Сопоставляя, например, изменения функции
Гиббса процессов образования различные надмолекулярных структур DGim,
можно судить о термодинамическое стабильности этих структур. Установлено, что в ходе
эволюции живых природные систем на каждом иерархич. уровне повышается термодинамическое
стабильность структурных элементов, составляющих данный уровень. Согласно принципу
структурной стабилизации, i-й процесс, протекающий на 7-м структурном
уровне, стабилизирует продукты (i-1)-го процесса предыдущего (j —
1)-го (более низкого) иерархич. уровня. Поскольку система является открытой,
агрегация j-х структурных элементов накапливает наиболее стабильные (j
+ 1)-е структуры на данном иерархич. уровне. Например, в некоторых природные системах
накапливаются вещества с повышенной (по абс. величине) функцией Гиббса DGim
образования определенных надмолекулярных структур (этот эффект в некотором смысле
аналогичен накоплению в хроматографич. колонке вещества с повыш. энергией Гиббса
адсорбции DGa вследствие того, что время удерживания
этого вещества tret зависит от DGim экспоненциально): (R-газовая постоянная). В ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с. вводится представление
об эволюц. потенциале В этом смысле химический потенциал
компонента системы является частным случаем эволюц. потенциала. Эволюц. потенциал
позволяет наиболее простым и универсальным способом определять условия равновесия
внутри любой подсистемы. ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с. определяет направленность эволюц. процесса
как процесса структурообразования (самосборки; см. Самоорганизация).
Показано, что эволюция природные систем обусловлена стремлением к экстремальным
значениям удельная величин термодинамическое функций (функции Гиббса, функции Гельмгольца и
т. п.). Например, при образовании надмолекулярной структуры на 7-м иерархич. уровне
вследствие межмолекулярного взаимодействия усредненная по объему функция Гиббса биологическое
системы где V- объем системы,
т-масса, х, у, z-координаты. В результате взаимодействие (агрегации) j-х
надмолекулярных образований появляется новая структурно выделенная подсистема,
обладающая большим характерным временем жизни, т.е. (j + 1)-й уровень
иерархии. Вследствие обмена каждой из подсистем со средой система в целом накапливает
наиболее стабильные структуры, т. е. структуры, обладающие повыш. функцией Гиббса
образования (агрегации). Эти структуры преимущественно аккумулируют химический соединение с
повыш. функцией Гиббса образования (повыш. энергоемкостью). ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ обр., в процессе
эволюции биологическое система обогащается липидами, белками, полисахаридами и т. п.
и обедняется водой, что проявляется в изменении ее брутто-состава. Вариации
химический состава живых организмов в онтогенезе и филогенезе имеют термодинамическое
природу. ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с. позволяет анализировать
поведение физических-химический, эко-логич. систем, передачу биологическое признаков по наследству. Основы ТЕРМОДИНАМИКА
ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ и. с. сформулированы
в 80-х гг. 20 в. Литература: Гладышев Г.
П., Термодинамика и макрокинетика природных иерархических процессов, М., 1988;
Васнецова А. Л., Гладышев Г. П., Эко логическая
биофизическая химия, М., 1989; Gladyshev G. P., "Journal of Biological
Systems", 1993, v. 1, № 2. G. П. Гладышев. Химическая энциклопедия. Том 4 >> К списку статей |
[каталог] [статьи] [доска объявлений] [обратная связь] |
|
Введение в химию окружающей среды. Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей
среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги
заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в
разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности.
Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и
атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на
химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах.
Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии
университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга
читателей.
Химия и технология редких и рассеянных элементов. Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов
химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии
лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во
второй
части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана,
лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В
третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия,
тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание
уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В
технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика
рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов
производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие
составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по
1972 год включительно.
|
|