Стационарное состояние

Стационарным состоянием называется такое состояние системы, при котором параметры системы не меняются со временем на фоне протекающих процессов обмена с окружающей средой. В таком состоянии и энтропия S постоянна, а следовательно

dS=dSi+dSe=0,

то есть dS_i=-dS_e и dS_i/dt=-dS_e/dt

– это уравнение является уравнением стационарного состояния. Сходство стационарного состояния и термодинамического равновесия заключается в том, что параметры системы не меняются во времени как в одном, так и в другом случае. Но постоянство параметров при стационарном состоянии достигается не в результате отсутствия всяких направленных процессов, как при термодинамическом равновесии, а в результате того, что процессы протекают, но скорость направления этих процессов постоянна и взаимно уравновешивается.

В состоянии равновесия в системе прекращаются все процессы, кроме теплового движения молекул; соответственно, выравниваются все градиенты.

В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузии, перенос ионов и др. процессы, но они так сбалансированы, что состояние системы в целом не изменяется. Способность сохранять постоянство внутренней среды называется гомеостазисом или просто гомеостазом. Гомеостаз представляет собой стационарное состояние организма высших животных.

Характерным свойством живого организма помимо постоянства параметров являются также совершенно определённые реакции на внешнее воздействие, которые выводят организм из стационарного состояния.

Такие явления, как возбуждение, мышечное сокращение, генерация нервного импульса и другие, являются примерами переходных процессов между стационарными уровнями. При этом все уровни лежат в пределах биологических норм.

Если система выведена из стационарного состояния, то к новому стационарному состоянию она может переходить по-разному. Можно выделить три основных типа переходов.

X

2

-----------------------------------------------В

-----------------------------------------------А
3
t

Типы перехода из одного стационарного состояния (А) в другое (В)

Х – значение параметра, характеризующего стационарное состояние;

t – время.

Кривая 1 изображает простой экспоненциальный переход от одного уровня стационарного состояния к другому. Такой переход характерен например для частоты дыхания и сердцебиения при равномерном изменении интенсивности физической работы (нагрузки).

Кривая 2 называется кривой с избыточными отклонениями (овершут), когда промежуточный уровень выше конечного. Такая кривая может характеризовать, например, изменения артериального давления крови человека при резком увеличении интенсивности физической работы.

Кривая 3 отражает такие изменения, когда уровень сначала понижается, а затем возрастает до конечного стационарного состояния. Этот тип называют «ложным стартом».

Приведённые кривые отражают переходные процессы только в первом приближении. Строго говоря, и переходные и стационарные процессы имеют колебательный характер.