Страница 5 из 17
К термодинамике примыкает молекулярно-кинетическая теория. В ней моделируется поведение газа, замкнутого в некотором объёме. При этом учитывается корпускулярно-молекулярная структура газа, а молекулы рассматриваются как свободно движущиеся в пространстве. Одновременно вводится представление о том, что полная "живая сила" всех молекул (по терминологии Джоуля) обуславливает теплоту газового тела.
В рамках этой теории впервые в науке было использовано уровне-вое понимание системы и была предпринята попытка объяснить макрохарактеристики термодинамической системы с помощью микрохарактеристик. Здесь исходя из механической трактовки движения молекул показывается, что существует функциональная зависимость между давлением газа, его плотностью и суммарной кинетической энергией занимающих его объём молекул. Следствием такой зависимости является, в частности, хорошо известный закон Бойля-Мариотта. Рассматриваемая теория учитывает ряд сложных условий, влияющих на термопараметры системы:
- способность молекул совершать внутреннее движение;
- существование средней длины свободного пути молекулы;
- неравномерность распределения скоростей молекул.
Известно, что на первых этапах своего формирования молекулярно-кинетическая теория базировалась на общих методологических принципах механики. Процессы, протекающие в молекулярных системах, описывались сугубо с механических позиций. Более того, классики термодинамики пытались трактовать само учение о теплоте в качестве одного из разделов механической теории. Ярким проявлением этой тенденции были работы по обоснованию второго начала термодинамики, основанные на предположении о наличии некоторого механизма молекулярного движения и механике сил, действующих между молекулами. По такому пути двигался, например, Л. Больцман. Однако не кто-нибудь, а именно Л. Больцман, осознал невозможность полной аналогии в механическом и молекулярно-кинетическом описаниях системы. В последнем случае неизбежно привлечение понятий, выходящих за рамки механики. В число таких понятий входило, например, определение средней кинетической энергии в течение значительного промежутка времени. Полное осознание данного обстоятельства послужило основанием для характеристики законов кинетической теории как статистических /11/.
Изучение молекулярных систем показало, что из взаимодействий одного какого-либо уровня могут рождаться новые качественные особенности, характерные для больших совокупностей. Так, из хаотического движения молекул возникают закономерности, наблюдаемые в поведении массы газа как целого. При этом мы имеем дело с особым типом формирования состояния системы. Здесь наличие беспорядка на некотором элементном уровне обуславливает равновозможность всех направлений движения молекул в пространстве, а также одинаковую плотность газа в разных частях его замкнутого объёма (показано Р. Клаузиусом). А учёт таких параметров становится отправной точкой для применения новых способов моделирования молекулярной системы. В отношении последней признаётся, что начальные координаты и скорости молекул неизвестны. Тем не менее, можно установить статистические переходы от микропараметров к макропараметрам системы и на этом основании формулировать достаточно строгие выводы о поведении газа в целом.
Замечательно то, что статистическое описание молекулярных систем позволяет получать вполне строгие выводы в отношении ряда процессов: выравнивание температуры за счёт усреднения скоростей молекул и их перемешивания, установление теплового равновесия и т.д. Новизна статистического моделирования заключается еще и в том, что в описание молекулярных систем и в анализ их функционирования вводится идея множества путей приобретения системой некоторого предпочтительного состояния. Статистический подход, применяемый в таком анализе, учитывает разнообразие этого множества и выявляет вероятность нахождения системы в некотором конечном состоянии. Для предпочтительного состояния вероятность должна иметь максимальное значение, во всех других случаях вероятность уменьшается. Существенно, что за мерой вероятности состояния системы стоит, как показал ещё Л. Больцман, "мера распределяемости (хаотичности) системы /12/.
1.4. СПЕЦИФИКА СИСТЕМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Каковы системные характеристики химического взаимодействия, как проявляется системность в условиях химического реагирования? Поиск ответов на эти вопросы связан с разработкой методологии моделирования в рамках современной химической кинетики . Новые принципы системного моделирования опираются здесь на фундаментальный факт, что химические реакции обладают способностью переходить к состоянию равновесия, т.е. самопроизвольно достигать стадии, когда прямые и обратные реакции в массе своей (статистически) компенсируют друг друга. В этом случае суммарное изменение концентрации любого вещества, участвующего в реакции, прекращается. Здесь вступают в дело константы равновесия, проявляется закон сохраняемости, имеющий, впрочем, динамическую форму.
Следует отметить также, что специфика системного моделирования в химической кинетике связана с установлением факта существования термодинамического контроля, своеобразного термоограничителя, канализирующего, направляющего реакции в сторону устойчивого динамического равновесия исходных и конечных продуктов. Но одновременно здесь действует кинетический контроль реакций, который направляет систему не к равновесию, а накоплению наиболее быстро образующихся веществ.
Несомненно, что в области химического реагирования мы имеем дело с системами нового уровня сложности. Здесь действуют уже механизмы регуляции и саморегуляции. Так, многие химические реакции регулируются каталитическими факторами, которые либо ускоряют, либо замедляют процесс, не нарушая положения равновесия. Показательны в этом отношении биохимические реакции, которые детерминируются катализаторами-ферментами. В данной области нередко возникают автоматические реакции, когда образующееся новое вещество содействует возникновению подобных себе сложных молекул. При моделирующем описании подобных процессов важную роль играет принцип воспроизведения сложных биомолекул. Более общая его формулировка связана с идеей поддержания суперустойчивости химического процесса, обеспечивающего возникновение подобных молекул.
Переход к методам моделирования сложных реакций опирается в современной химической кинетике на представления о протекании реакций в открытых системах. Введение подобных представлений позволило установить, что протекание реакций зависит не от отдельных внешних факторов, влияние которых сказывается, конечно, на поведении открытой системы. Но главной детерминантой здесь выступает так называемая потоковая зависимость. Потоки имеют направление, определяемое действием какой-либо весьма обшей причины. В кинетике действие подобной причины обозначается понятием "сродство". На основе сродства втягиваются в реакцию вещества, необходимые для процесса замещения в химических превращениях. Если говорить в более общем плане, то сродство, как уже отмечалось в научной литературе, выявляет спонтанную продуктивную активность химической системы /13/.
Наконец разработка проблемы моделирования в кинетике связана с учётом самопроизвольного характера химических реакций, с признанием существенной роли самодетерминированных изменений в химических системах. Благодаря этому соответствующие системы реализуют автономный режим функционирования. Например, установлено, что из числа возможных химических реакций будет протекать именно та, которая сопровождается максимальным выделением тепла. Детерминирующим принципом химических превращений является также поддержание хода реакций, который ведёт к уменьшению свободной энергии системы. На это в своё время указал Вант-Гофф. Внутренняя детерминация действует и в так называемых цепных реакциях, когда некая малая причина способна привести в действие лавинообразный процесс синтеза или распада вещества. Соответствующая внутренняя направленность процесса обнаруживается, например, при полимеризации малых молекул в высокомолекулярное соединение, при взрыве порохового заряда и т.д. Интересно, что в каталитических и цепных процессах возникают явления, которые могут описываться в терминах теории управления, поскольку дело идёт об отражении обратных связей. автоколебательных изменений системы, о перераспределении энергии между основной реакцией и регуляторными механизмами. Следует согласиться с утверждением, что на соответствующем языке можно описывать свойства реакций как носителей некоторой информации /14/.