Классификация термодинамических систем

Параметры систем в природе

Химическая термодинамика изучает превращения одних видов энергии в другие при протекании химических и физических процессов. Объектом химической термодинамики является система — тело или группа взаимодействующих тел, обособленных от окружающей среды реальной или воображаемой границей. Например, системой можно считать стакан с молоком, просто само молоко, не принимая во внимание стакан, или же наоборот — только стакан, независимо от того, что в нем находится. Порой встречаются самые неожиданные системы (рис. 1).

• внутренняя энергияU — общий запас энергии системы, включающий энергию движения молекул, вращения и колебания атомов в молекулах, энергию электронов и атомных ядер, не включающий, однако, кинетическую и потенциальную энергию (рис. 2);
• теплотаQ — форма передачи энергии от одного тела к другому при наличии между ними разности температур;

работа A — форма передачи энергии от одного тела к другому при упорядоченном перемещении частиц вещества.

Теплота отражает передачу энергии на микроуровне: она выделяется или поглощается при переходе атомов из одного состояния в другое, при образовании или разрыве химических связей и т. д. Работа отражает передачу энергии на макроуровне, например, с помощью потоков газов и жидкостей — на этом основано действие турбин, двигателей и других устройств (рис. 3).

Внутренняя энергия характеризует систему, поскольку зависит от того, какие частицы входят в ее состав и какими свойствами они обладают; поэтому ее считают функцией состояния. Напротив, теплота и работа характеризуют процесс, в котором участвует система, поэтому их относят к функциям процесса.

Единицей энергии в системе СИ является Джоуль, Дж; она носит имя выдающегося английского физика (рис. 4). Однако, наравне с Джоулями, также широко используются калории, кал (от англ. to calorify — нагревать). Калория — удобная единица, поскольку она показывает, какое количество теплоты необходимо затратить для нагревания 1 мл воды на 1 °C при атмосферном давлении, а расчеты, связанные с нагреванием воды встречаются в технике повсеместно. Калория и Джоуль связаны соотношением:

1кал = 4,19 Дж

Классификация систем и их параметров

Термодинамические системы могут быть открытыми и закрытыми (рис. 5). Открытые системы обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией. Примеры открытых систем — люди, животные, растения, водоемы и пр. Закрытые системы делятся на неизолированные и изолированные. Неизолированные системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но обмениваются энергией. Пример — герметично упакованные продукты (бутылки с газированной водой, пакеты с чипсами). Изолированные системы не обмениваются ни веществом, ни энергией. Такие системы в природе практически не встречаются, однако, к ним можно с небольшим допущением отнести термос и кабину космического корабля.

Состояние системы определяется термодинамическими параметрами. Они делятся на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные параметры зависят от количества вещества в системе — это масса m и объем V. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе. К ним относятся температура T, давление p, массовая доля компонента ω и некоторые другие величины.

В термодинамике пользуются только абсолютной температурной шкалой. Напомним, что в ней температура измеряется в Кельвинах, К. Один градус Цельсия равен одному Кельвину, при этом шкалы смещены друг относительно друга на 273 К (рис. 6):

где T — температура по Кельвину, t — по Цельсию

Абсолютный ноль температуры — 0 К или –273 °С — является нижним пределом температуры, установленным природой. Достичь этой температуры невозможно, однако современное оборудование позволяет охладить тело до 0,000001 К. Такое оборудование, позволяющее получать глубокий холод, называется криогенным.

Термодинамические процессы

Состояние системы, при котором все ее параметры остаются неизменными во времени, называется термодинамическим равновесием . Все системы в природе и технике стремятся к состоянию равновесия, однако далеко не всегда его достигают. Раскаленный песок на берегу Средиземного моря остывает с наступлением короткой летней ночи, но как только начинается утро, жаркое южное солнце с новой силой продолжает его нагревать.

• изобарный, p = const; например нагревание песка, воды или камней под действием солнечных лучей;
• изохорный, V = const, например, скисание молока в стеклянной бутылке;
• изотермический, T = const, например, надувание воздушного шарика;

адиабатический, когда не происходит ни выделения, ни поглощения тепла, т. е. ΔQ = 0, например нагревание и остывание воздушных масс.

Иногда процесс может проводится таким образом, что неизменными останутся два параметра, например T и p — тогда процесс будет называться изобарно-изотермическим (рис. 7).

Термодинамические параметры тесно связаны друг с другом. Наиболее простая зависимость между ними установлена для идеальных газов — это уравнение Менделеева-Клайперона:

где R = 8,31 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная, — количество вещества, моль

Законы термодинамики

Фундамент современной химической термодинамики составляют четыре закона — нулевой, первый, второй и третий.

Наглядной иллюстрацией этого является охлаждение теплого молока в холодильнике. Сразу после того, как мы ставим пакет с молоком в холодильник, термодинамическое равновесие нарушается, поскольку нулевой закон не выполняется. Но постепенно происходит изобарно-изохорное охлаждение пакета и он принимает температуру, поддерживаемую внутри холодильника. Система возвращается в состояние равновесия.

Первый закон — это одна из многочисленных формулировок закона сохранения энергии; он непосредственно описывает превращения одних видов энергии в другие при протекании физико-химических процессов.

Второй закон рассматривает понятия порядка и хаоса, а также позволяет определять возможность самопроизвольного протекания тех или иных химических реакций.

Источник

Экологическая система — понятие, суть, типы и уровни

Экосистема включает в себя все живые организмы (растения, животные, грибы и микроорганизмы), которые в той или иной степени, взаимодействуют друг с другом и окружающей их неживой средой (климат, почва, солнечный свет, воздух, атмосфера, вода и т.п.).

Экосистема не имеет определенного размера. Она может быть столь же большой, как пустыня или озеро, или маленькой, как дерево или лужа. Вода, температура, растения, животные, воздух, свет и почва — все взаимодействуют вместе.

Суть экосистемы

В экосистеме каждый организм имеет свое собственное место или роль.

Рассмотрим экосистему небольшого озера. В нем, можно найти все виды живых организмов, от микроскопических до животных и растений. Они зависят от неживой природы, такой как вода, солнечный свет, воздух и даже от количества питательных веществ в воде. (Нажмите здесь, чтобы узнать подробнее о пяти основных потребностях живых организмов).

Каждый раз, когда «постороннее» (живое существо(а) или внешний фактор, например, повышение температуры) вводятся в экосистему, могут произойти катастрофические последствия. Это происходит потому, что новый организм (или фактор) способен искажать естественный баланс взаимодействия и нести потенциальный вред или разрушение неродной экосистеме.

Как правило, биотические члены экосистемы, вместе с их абиотическими факторами зависят друг от друга. Это означает отсутствие одного члена или одного абиотического фактора может повлиять на всю экологическую систему.

Если нет достаточного количества света и воды, или, если почва содержит мало питательных веществ, растения могут погибнуть. Если растения погибают, животные, которые от них зависят также оказываются по угрозой. Если животные, зависящие от растений гибнут, то другие животные, зависящие от них также погибнут. Экосистема в природе работает одинаково. Все ее части должны функционировать вместе, чтобы поддерживать баланс!

К сожалению, экосистемы могут разрушиться в результате стихийных бедствий, таких как пожары, наводнения, ураганы и извержения вулканов. Человеческая деятельность также способствует разрушению многих экосистем и биомов планеты.

Основные виды экосистем

Экологические системы имеют неопределенные размеры. Они способны существовать на небольшом пространстве, например под камнем, гниющем пне дерева или в небольшом озере, а также занимать значительные территории (как весь тропический лес). С технической точки зрения, нашу планету можно назвать одной огромной экосистемой.

Виды экосистем в зависимости от масштаба:

• Микроэкосистема — экосистема небольшого масштаба, как пруд, лужа, пень дерева и т.д.
• Мезоэкосистема — экосистема, такая, как лес или большое озеро.
• Биом. Очень большая экосистема или совокупность экосистем с аналогичными биотическими и абиотическими факторами, такими как целый тропический лес с миллионами животных и деревьев, и множеством различных водных объектов.

Границы экосистем не обозначены четкими линиями. Их часто разделяют географические барьеры, такие как пустыни, горы, океаны, озера и реки. Поскольку границы не являются строго установленными, экосистемы, как правило, сливаются друг с другом. Вот почему озеро может иметь множество небольших экосистем со своими собственными уникальными характеристиками. Ученые называют такое смешивание «Экотон».

Виды экосистем по типу возникновения:

Помимо вышеперечисленных видов экосистем, существует также разделение на естественные и искусственные экологические системы. Естественная экосистема создается природой (лес, озеро, степь и т.д.), а искусственная — человеком (сад, приусадебный участок, парк, поле и др.).

Типы экосистем

Существует два основных типа экосистем: водные и наземные. Любые другие экосистемы мира относятся к одой из этих двух категорий.

Наземные экосистемы

Наземные экосистемы могут быть найдены в любом месте мира и подразделены на:

Лесные экосистемы

Это экосистемы, в которых есть обилие растительности или большое количество организмов, живущих в относительно небольшом пространстве. Таким образом, в лесных экосистемах плотность живых организмов достаточно высока. Небольшое изменение в этой экосистеме может повлиять на весь ее баланс. Также, в таких экосистемах можно встретить огромное количество представителей фауны. Кроме того, лесные экосистемы подразделяются на:

• Тропические вечнозеленые леса или тропические дождевые леса:тропические леса, получающие среднее количество осадков более 2000 мм в год. Они характеризуются густой растительностью, в которой преобладают высокие деревья, расположенные на разных высотах. Эти территории являются убежищем для различных видов животных.
• Тропические лиственные леса: Наряду с огромным разнообразием видов деревьев, здесь также встречаются кустарники. Данный тип леса встречается в довольно многих уголках планеты и является домом для большого разнообразия представителей флоры и фауны.
• Умеренные вечнозеленые леса: Имеют довольно небольшое количество деревьев. Здесь преобладают вечнозеленые деревья, которые обновляют свою листву в течение всего года.
• Широколиственные леса: Расположены во влажных умеренных регионах, которые имеют достаточное количество осадков. В зимние месяца, деревья сбрасывают свою листву.
• Тайга: Расположенная непосредственно перед природной зоной тундры, тайга определяется вечнозелеными хвойными деревьями, минусовыми температурами на протяжении полугода и кислыми почвам. В теплое время года здесь можно встретить большое количество перелетных птиц, насекомых и других животных тайги.

Пустынная экосистема

Пустынные экосистемы расположены в районах пустынь и получают менее 250 мм осадков в год. Они занимают около 17 % всей суши Земли. Из-за чрезвычайно высокой температуры воздуха, плохого доступа к водным ресурсам и интенсивного солнечного света, флора и фауна пустынь не столь богаты, как в других экосистемах.

Экосистема луга

Луга расположены в тропических и умеренных регионах мира. Территория луга в основном состоит из трав, с небольшим количеством деревьев и кустарников. Луга населяют пасущиеся животные, насекомоядные и растительноядные. Выделяется два основных вида экосистем луга:

• Саванны: Тропические луга, имеющие сухой сезон и характеризующиеся отдельно растущими деревьями. Они обеспечивают пищей большое количество травоядных животных, а также являются местом охоты многих хищников.
• Прерии (умеренные луга): Это область с умеренным травяным покровом, полностью лишенная крупных кустарников и деревьев. В прериях встречается разнотравье и высокая трава, а также наблюдаются засушливые климатические условия.
• Степные луга: Территории сухих лугов, которые располагаются вблизи полузасушливых пустынь. Растительность этих лугов короче, чем в саваннах и прериях. Деревья встречаются редко, и как правило, находятся на берегах рек и ручьев.

Горные экосистемы

Горная местность обеспечивает разнообразный спектр местообитаний, где можно найти большое количество животных и растений. На высоте, обычно преобладают суровые климатические условия, в которых могут выжить только альпийские растения. Животные, обитающие высоко в горах, имеют толстые шубы для защиты от холодов. Нижние склоны, как правило, покрыты хвойными лесами.

Водные экосистемы

Водная экосистема — экосистема, расположенная в водной среде (например, реки, озера, моря и океаны). Она включает в себя водную флору, фауну, а также свойства воды, и подразделяется на два типа: морскую и пресноводную экологические системы.

Морские экосистемы

Морские экосистемы являются крупнейшими экосистемами, которые покрывают около 71% поверхности Земли и содержат 97% воды планеты. Морская вода содержит большое количество растворенных минералов и солей. Морская экологическая система подразделяется на:

• Океаническую (относительно мелкая часть океана, которая находится на континентальном шельфе);
• Профундальную зону (глубоководная область не пронизанная солнечным светом);
• Бентальную область (область, заселенная донными организмами);
• Приливную зону (место между низкими и высокими приливами);
• Лиманы;
• Коралловые рифы;
• Солончаки;
• Гидротермальные жерла, где хемосинтезирующие бактерии составляют кормовую базу.

Многие виды организмов живут в морских экосистемах, а именно: бурые водоросли, кораллы, головоногие моллюски, иглокожие, динофлагелляты, акулы и т.д.

Пресноводные экосистемы

В отличие от морских экосистем, пресноводные охватывают лишь 0,8% поверхности Земли и содержат 0,009% от общего количества мировых запасов воды. Существует три основных вида пресноводных экосистем:

• Стоячие: воды, где отсутствует течение, как бассейны, озера или пруды.
• Проточные: быстро движущиеся воды, такие как ручьи и реки.
• Водно-болотные угодья: места, в которых постоянно или периодически затопленная почва.

Пресноводные экосистемы являются местами обитания рептилий, земноводных и около 41% видов рыб в мире. Быстро движущиеся воды обычно содержат более высокую концентрацию растворенного кислорода, тем самым поддерживают большее биологическое разнообразие, чем стоячие воды прудов или озер.

Структура, компоненты и факторы экосистемы

Экосистема определяется как природная функциональная экологическая единица, состоящая из живых организмов (биоценоза) и их неживой окружающей среды (абиотической или физико-химической), которые взаимодействуют между собой и создают стабильную систему. Пруд, озеро, пустыня, пастбища, луга, леса и т.д. являются распространенными примерами экосистем.

Каждая экосистема состоит из абиотических и биотических компонентов:

Абиотические компоненты

Абиотические компоненты представляют собой не связанные между собой факторы жизни или физическую среду, которая оказывает влияние на структуру, распределение, поведение и взаимодействие живых организмов.

Абиотические компоненты представлены в основном двумя типами:

• Климатическими факторами, которые включают в себя дождь, температуру, свет, ветер, влажность и т.д.
• Эдафическими факторами, включающие в себя кислотность почвы, рельеф, минерализацию и т.д.

Значение абиотических компонентов

Почвы содержат минеральные и органические вещества, а также живые организмы. Почва обеспечивает живых существ питательными веществами, влагой и средой обитания. Растительность верхней части почвенного покрова тесно с ней связана через круговорот питательных веществ.

Атмосфера обеспечивает живые организмы углекислым газом (для фотосинтеза) и кислородом (для дыхания). Процессы испарения, транспирации и круговорота воды происходят между атмосферой и поверхностью Земли.

Солнечное излучение нагревает атмосферу и испаряет воду. Свет также необходим для фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивает растения энергией, для роста и обмена веществ, а также органическими продуктами для питания других форм жизни.

Большинство живой ткани состоит из высокого процента воды, до 90% и даже более. Немногие клетки способны выжить, если содержание воды падает ниже 10%, и большинство из них погибают, когда вода составляет менее 30-50%.

Вода является средой, с помощью которой минеральные пищевые продукты поступают в растения. Она также необходима для фотосинтеза. Растения и животные получают воду с поверхности Земли и почвы. Основной источник воды — атмосферные осадки.

Биотические компоненты

Живые существа, включая растения, животных и микроорганизмы (бактерии и грибы), присутствующие в экосистеме, являются биотическими компонентами.

На основе их роли в экологической системе, биотические компоненты могут быть разделены на три основные группы:

• Продуценты производят органические вещества из неорганических, используя солнечную энергию;
• Консументы питаются готовыми органическими веществами, произведенными продуцентами (травоядные, хищники и всеядные);
• Редуценты. Бактерии и грибы, разрушающие отмершие органические соединения продуцентов (растений) и консументов (животных) для питания, и выбрасывающие в окружающую среду простые вещества (неорганические и органические), образующихся в качестве побочных продуктов их метаболизма.

Эти простые вещества повторно производятся в результате циклического обмена веществ между биотическим сообществом и абиотической средой экосистемы.

Уровни экосистемы

Для понимания уровней экосистемы, рассмотрим следующий рисунок:

Особь

Особь — это любое живое существо или организм. Особи не размножаются с индивидуумами из других групп. Животные, в отличие от растений, как правило, относятся к этому понятию, поскольку некоторые представители флоры могут скрещиваться с другими видами.

В приведенной выше схеме, можно заметить, что золотая рыбка взаимодействует с окружающей средой и будет размножаться исключительно с представителями своего вида.

Популяция

Популяция — группа особей данного вида, которые живут в определенной географической области в данный момент времени. (Примером может служить золотая рыбка и представители ее вида). Обратите внимание, что популяция включает особей одного вида, которые могут иметь различные генетические отличия, такие как цвет шерсти/глаз/кожи и размер тела.

Сообщество

Сообщество включает в себя всех живых организмов на определенной территории, в данный момент времени. В нем могут присутствовать популяции живых организмов разных видов. В приведенной выше схеме, обратите внимание, как золотые рыбы, лососёвые, крабы и медузы сосуществуют в определенной среде. Большое сообщество, как правило, включает в себя биоразнообразие.

Экосистема

Экосистема включает в себя сообщества живых организмов, взаимодействующих с окружающей средой. На этом уровне живые организмы зависят от других абиотических факторов, таких как камни, вода, воздух и температура.

Простыми словами, биом представляет собой совокупность экосистем, имеющих схожие характеристики с их абиотическими факторами, адаптированными к окружающей среде.

Биосфера

Когда мы рассматриваем различные биомы, каждый из которых переходит в другой, формируется огромное сообщество людей, животных и растений, живущих в определенных местах обитания. Биосфера является совокупностью всех экосистем, представленных на Земле.

Пищевая цепь и энергия в экосистеме

Все живые существа должны питаться, чтобы получать энергию, необходимую для роста, движения и размножения. Но чем же эти живые организмы питаются? Растения получают энергию от Солнца, некоторые животные едят растения, а другие едят животных. Это соотношение кормления в экосистеме, называется пищевой цепью. Пищевые цепи, как правило, представляют последовательность того, кто кем питается в биологическом сообществе.

Ниже приведены некоторые живые организмы, которые могут разместиться в пищевой цепи:

Пищевая цепь — это не одно и то же, что и пищевая (трофическая) сеть. Трофическая сеть представляет собой совокупность многих пищевых цепей и является сложной структурой.

Передача энергии

Энергия передается по пищевым цепям от одного уровня к другому. Часть энергии используется для роста, размножения, передвижения и других потребностей, и не доступна для следующего уровня.

Более короткие пищевые цепи сохраняют больше энергии, чем длинные. Израсходованная энергия поглощается окружающей средой.

Источник



Классификация термодинамических систем

Рассмотрим особенности термодинамических систем. Под ними принято понимать физические макроскопические формы, состоящие из значительного количества частиц, которые не предполагают использования для описания макроскопических показателей каждой отдельной частицы.

Нет ограничений в природе материальных частиц, которые являются составными компонентами таких систем. Они могут быть представлены в виде молекул, атомов, ионов, электронов, фотонов.

Особенности

Проанализируем отличительные характеристики термодинамических систем. В качестве примера можно привести любой предмет, который можно наблюдать без использования телескопов, микроскопов. Чтобы дать полноценное описание такой системе, подбирают макроскопические детали, благодаря которым можно определить объем, давление, температуру, электрическую поляризацию, величину магнитной индукции, химический состав, массу компонентов.

Для любых термодинамических систем существуют условные либо реальные границы, которые отделяют их от окружающей среды. Вместо нее часто используют понятие термостата, характеризующегося такой высокой величиной теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой системой температурный показатель сохраняет неизменное значение.

Классификация систем

Рассмотрим, что представляет собой классификация термодинамических систем. В зависимости от характера взаимодействия ее с окружающей средой, принято выделять:

• изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
• адиабатически изолированные, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен работой или энергией;
• у закрытых термодинамических систем нет обмена веществом, допускается только изменение величины энергии;
• открытые системы характеризуются полной передачей энергии, вещества;
• частично открытые могут иметь полупроницаемые перегородки, поэтому не в полной мере принимать участие в материальном обмене.

В зависимости от описания, параметры термодинамической системы, могут подразделяться на сложные и простые варианты.

Особенности простых систем

Простыми системами называют равновесные состояния, определить физическое состояние которых можно удельным объемом, температурой, давлением. Примеры термодинамических систем подобного типа – изотропные тела, имеющие равные характеристики в разных направлениях и точках. Так, жидкости, газообразные вещества, твердые тела, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия, не подвергаются воздействию электромагнитных и гравитационных сил, поверхностному натяжению, химическим превращениям. Анализ простых тел признан в термодинамике важным и актуальным с практической и теоретической точки зрения.

Внутренняя энергия термодинамической системы такого вида связана с окружающим миром. При описании используют число частиц, массу вещества каждого отдельного компонента.

Сложные системы

К сложным относят термодинамические системы, которые не попадают под простые виды. Например, ими являются магнетики, диэлектрики, твердые упругие тела, сверхпроводники, поверхности раздела фаз, тепловое излучение, электрохимические системы. В качестве параметров, используемых для их описания, отметим упругость пружины или стержня, поверхность фазового раздела, тепловое излучение.

Физической системой называют такую совокупность, в которой нет химического взаимодействия между веществами в пределах показателей температуры, давления, выбранных для исследования. А химическими системами называют те варианты, которые подразумевают взаимодействие между ее отдельными компонентами.

Внутренняя энергия термодинамической системы зависит от наличия изоляции ее с окружающим миром. Например, в качестве варианта адиабатической оболочки, можно представить сосуд Дьюара. Гомогенный характер проявляется у системы, в которой все компоненты имеют сходные свойства. Примерами их служат газовые, твердые, жидкие растворы. Типичным примером газовой гомогенной фазы является атмосфера Земли.

Особенности термодинамики

Данный раздел науки занимается изучением основных закономерностей протекания процессов, которые связаны с выделением, поглощением энергии. В химической термодинамике предполагается изучение взаимных превращений составных частей системы, установление закономерностей перехода одного вида энергии в другой при заданных условиях (давлении, температуре, объеме).

Система, являющаяся объектом термодинамического исследования, может быть представлена в виде любого объекта природы, включающего в себя большое число молекул, которые отделены границей раздела с другими реальными объектами. Под состоянием системы подразумевают совокупность ее свойств, которые позволяют определять ее с позиций термодинамики.

Заключение

В любой системе наблюдается переход одного вида энергии в другой, устанавливается термодинамическое равновесие. Раздел физики, которые занимается детальным изучением превращений, изменений, сохранений энергии, имеет особое значение. Например, в химической кинетике можно не просто описать состояние системы, но и рассчитать условия, способствующие ее смещению в нужном направлении.

Закон Гесса, связывающий энтальпию, энтропию рассматриваемого превращения, дает возможность выявлять возможность самопроизвольного протекания реакции, рассчитывать количество теплоты, выделяемого (поглощаемого) термодинамической системой.

Термохимия, базирующаяся на основах термодинамики, имеет практическое значение. Благодаря данному разделу химии, на производстве проводят предварительные расчеты эффективности топлива и целесообразности внедрения определенных технологий в реальное производство. Сведения, получаемые из термодинамики, дают возможность применять явления упругости, термоэлектричества, вязкости, намагничивания для промышленного производства различных материалов.

Источник

Система. Общие свойства и параметры систем

Рассматривая предмет экологии, мы столкнулись с понятием “система”. Оно лежит в основе экологии. Экосистема – главный объект изучения экологии. В этом разделе мы обсудим понятия, относящиеся к сложным системам вообще, а следующий посвятим экосистемам. Существуют общие принципы для изучения технических, биологических и социальных систем.

Система – это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы. Дословно система в переводе с греческого означает “целое, составленное из частей”. В общепринятом смысле под системой понимают совокупность явлений, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность. Мы будем рассматривать только реальные материальные системы. По Р. Шеннону, система определяется как “совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции”.

1.1.1. Общие свойства систем

1. Структура и поведение.

Любая система характеризуется своей структурой и поведением. Структура — это внутренняя форма организации системы, выступающая как единство устойчивости взаимосвязей между ее элементами. Поведение определяет внешнюю сторону системы, в соответствии с которой она может входить в качестве элемента в состав других систем более высокого уровня.

2. Подобие части и целого.

Часть – копия целого, а потому все части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга.

Это наиболее общая системная закономерность. Следует особо отметить, что подобие части и целого не означает их идентичности. Если какая-то часть (подсистема) не подобна системе в целом, то она входит в дисгармонию с другими подсистемами и с системой в целом. Такое состояние называется неустойчивым, и поэтому такая подсистема либо изменяется и входит в гармонию с целостностью, либо разрушается. Длительно и устойчиво существуют только системы, несущие в себе подобие системам, в состав которых они входят.

3. Эмерджентность.

Система характеризуется возникновением интегральных свойств, не сводимых к сумме свойств составляющих систему элементов, не характерных для данных элементов и применимых только ко всей системе в целом.

Это свойство системы называется эмерджентностью (от англ. emergence – возникновение, появление нового). Аксиома эмерджентности : целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у частей – подсистем, и не равно сумме элементов, объединенных системообразующими связями.

Зачастую, исходя из свойств отдельных компонентов системы, невозможно предсказать свойства системы как целого (например, водород и кислород, соединяясь дают воду , т.е. вещество, совершенно непохожее на исходные газы). Особенно сильна эмерджентность в высокоорганизованных биосистемах, таких, как теплокровные животные (проявление эмерджентности – образное отражение окружающего мира — психика, разум).

4. Принцип необходимого разнообразия элементов.

Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов. Никакая система не может быть организована из элементов, лишенных индивидуальности. Нижний предел разнообразия — не менее 2 элементов (болт и гайка, белок и нуклеиновая кислота), верхний – бесконечность.

5. Иерархичность.

Иерархия (перевод с греч.) — “расположение ступенчатым рядом”. Иерархичность есть одно из основных свойств систем, в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы. Иерархичные системы быстрее возникают из составляющих их частей по сравнению с иерархическими системами, имеющими то же число элементов, они более пластичны к нарушениям.

6.Устойчивость.

Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними воздействиями определяет ее устойчивость и способность к самосохранению. Внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее энергетику ее внутренних взаимодействий, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость (как стационарное состояние) динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой внешней циклической работой. Для этого необходимы поток и преобразование энергии в системе.

7. Связи между элементами системы.

Каждая система характеризуется наличием связей между ее элементами. Следствием внутрисистемных связей является эмерджентность. Различают прямые и обратные связи. Если один элемент воздействует на другой без ответной реакции, то такая связь – прямая. Ответная реакция на воздействующий элемент называется обратной связью.

8. Эволюционная природа систем.

Возникновение и существование всех систем обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких отклонений от стационарного состояния, при которых поток энергии через систему возрастает. Следствием увеличения сложности и разнообразия является ускорение эволюции.

1.1.2. Классификация систем

По виду обмена веществом и/или энергией с окружающей средой различают : а) изолированные системы (никакой обмен невозможен); б) замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен в любой форме); в) открытые системы (возможен любой обмен веществом и энергией).

Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации, называют динамическими. Динамические системы являются принципиально открытыми. Любая живая система – динамическая, следовательно, открытая.

1.1.3. Параметры систем

1. Сложность структуры

Определяется числом n элементов системы и числом m связей между ними. Сложность системы С определяется логарифмом числа связей

Вследствие чего системы условно классифицируют по сложности следующим образом :

0 < С < 3 (системы, имеющие до тысячи состояний) – простые;

3 < С < 6 (системы, имеющие до миллиона состояний) – сложные;

С > 6 (системы, имеющие свыше миллиона состояний) – очень сложные.

Все реальные природные системы очень сложны.

Другой критерий сложности системы связан с ее поведением, реакцией на внешнее воздействие. Если система способна к выбору альтернатив поведения (акту решения) (в т.ч. и с помощью случайных механизмов), то такая решающая система – сложная.

2. Разнообразие состава

Оценивается двумя способами

а) показатель Симпсона ,

где p_i – относительная численность (частота встречаемости) i-го вида элементов в совокупности n видов (Sp_i=1);

б) формула Шеннона .

3. Организация системы

По этому параметру системы делятся на 3 группы :

1) 0<R<0,1 — вероятностная, неустойчивая система;

2) 0,3<R<1 – детерминированная, консервативная, жесткая, устойчивая;

3) 0,1<R<0<0,3 – промежуточные, квазидетерминированные системы (биологические индивидуумы, организмы, виды).

Большинство природных систем имеет вероятностный или квазидетерминированный характер. Системы 3-го типа имеют системную иерархию структур и функций с выделенной внутренней системой управления (это может быть центральная нервная система, в социумах – государственная администрация).

Природные (вероятностные) системы состоят из большого числа отдельных, разнообразных индивидов, но способны к самоподдержанию без центральных регуляторов, т.е. к авторегуляции.

Источник

Всеобщие законы и концепция системы в естествознании

Землеведение базируется на общих физических законах, которые действуют в окружающем мире. Среди них законы: всемирного тяготения И.Ньютона, сохранения массы и энергии, Стефана—Больцмана, Архимеда, Гука, Ома и др.

Основополагающим в естествознании является понятие «система» — совокупность элементов, находящихся в определенном отношении. Все то, с чем данная система взаимодействует, называют средой. Географические системы взаимодействуют между собой территориально и функционально. Каждая система состоит из конечного числа элементов. С некоторой долей условности системы географической оболочки (геосистемы) и ее внешнего окружения можно подразделить на механические, термодинамические, биокосные, биологические, этнические и социальные (последние три в землеведении не изучаются).

Механические системы характеризуются силовым взаимодействием образующих их тел, имеющих массу. К ним относятся космические тела, воздушные и морские течения и др. Механическую систему рассматривают как систему равновесия сил. В случае его отсутствия система направленно изменяется и вскоре разрушается.

Термодинамические системы связаны с движением вещества, обусловленным преобразованием или переносом энергии. В отличие от изолированных систем, исследуемых классической термодинамикой, геосистемы относятся к числу открытых, т. е. обменивающихся веществом и энергией с внешней средой. Это чрезвычайно важное обстоятельство, так как открытые системы способны, накапливая превращаемую энергию, поддерживать и совершенствовать свою структуру. Совокупность таких свойств называется самоорганизацией. Благодаря самоорганизации мир географических систем усложняется во времени, совершенствуется (в большей степени способен противостоять внешним воздействиям) или направленно эволюционирует.

Рис 4.1. Состояние системы: а — устойчивое; б — метаустойчивое; в — неустойчивое (объяснение в тексте)

Термодинамическими системами являются различные термические циркуляции вещества, если с ними связаны переходы или потоки энергии. Например, круговорот воды в природе. При изучении термодинамических систем широко используется метод балансов (радиационный и тепловой баланс). В отдельных случаях можно ограничиться рассмотрением термодинамической системы как изолированной, т.е. пренебречь энергообменом системы с окружающей средой (адиабатический процесс в атмосфере).

Биокосными называют системы, в которых неразрывно связаны и взаимодействуют живое и неживое вещества. Примером биокосной системы является почва, представляющая собой единство минерального вещества (порода, вода, воздух), живых организмов и мертвого биоорганического вещества (гумус и др.). Если изъять из почвы один из этих компонентов, то она утратит свои характерные свойства (прежде всего плодородие), т.е. станет другой системой.

Система имеет связи, которые подразделяют на прямые (причинно-следственные, вещественно-энергетические) и обратные (информационно-регулирующие). Систему с обратными связями называют саморегулируемой. Обратные связи бывают отрицательными и положительными. Отрицательная связь уменьшает интенсивность процесса в системе при увеличении ее «выхода». Она характерна для нормально функционирующих систем и направлена на поддержание их динамического равновесия, устойчивости, неизменности. Положительная связь усиливает процесс по мере увеличения «выхода» системы, т. е. приводит к лавинообразному нарастанию процесса, в результате чего система переходит в новое состояние или разрушается. Чаще всего такой ход изменений провоцируется внешними причинами, но механизм саморазвития заложен в природе системы.

Состояние системы описывается параметрами, среди которых выделяют интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры (температура, абсолютная и относительная влажность, биопродуктивность) не зависят от размеров системы, экстенсивные (запасы тепла, влагосодержание в воздушной массе, запасы органического вещества и др.) определяются величиной системы (температура есть и в Арктике, и на экваторе, но в Арктике она ниже, а на экваторе выше). Следовательно, первые не меняются при делении системы на части, а вторые убывают.

Если интенсивные параметры системы однородны, т.е. не различаются в ее частях, то такая система находится в состоянии устойчивого равновесия по данным параметрам. Устойчивым называют равновесие, которое самопроизвольно восстанавливается, если систему из него вывести. Систему в устойчивом состоянии можно уподобить шарику, находящемуся в ямке (рис. 4.1, а). Метаустойчивым называют состояние, являющееся одним из вариантов устойчивого (рис. 4.1, б): шар мог бы занять любое из трех понижений (7, 2, 3), но из них абсолютно устойчиво только положение 2. Неустойчивым называют состояние, когда малый импульс воздействия выводит систему из равновесия, в которое она не может возвратиться (рис. 4.1, в). Неустойчивость характерна для развивающихся систем. Она увеличивает разнообразие природы (создаются новые системы), но может иметь и отрицательное экологическое значение. Системы в неустойчивом состоянии подвержены флуктуациям — хаотическим колебаниям параметров, эффект которых непредсказуем.

В большинстве случаев системы географической оболочки являются открытыми. Открытые системы не стремятся к минимуму потенциальной энергии и максимуму энтропии (мера рассеяния энергии). Географические системы способны совершенствоваться, уменьшая (или концентрируя) энтропию за счет внешней среды. Этот процесс можно представить как образование порядка из хаоса. Он наблюдается в географической оболочке эволюционно.

В географической оболочке существуют системы, которые имеют два и более устойчивых состояний, называемых триггерными (переключающими). Например, ледниковое и безледное состояние земной поверхности, функционирование гейзера (покой — выброс). Понятие триггерности важно для оценки возможных экологических последствий: энергетически легче удержать явление в определенном состоянии, чем вернуть его в прежнее, если начался переходный процесс.

Источник