Trong vật lý, chúng ta đã biết có 2 trạng thái là trạng thái cân bằng nhiệt động và trạng thái dừng.Giả sử có một thanh kim loại mà hai đầu thanh đƣợc giữ ở hai nhiệt độ xác định và khác nhau. Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng thái dừng chứ không có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại đã xảy ra quá trình truyền nhiệt (vĩ mô) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn. Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp nhiệt ổn định từ các nguồn.
Vậy có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng nhiệt động lực học . Ðó là trạng thái của một hệ mà các thông số trạng thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi, trong hệ không xảy ra các quá trình nhƣ dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học, chuyển pha,… Volkenstein đã chỉ ra rằng, trong quá trình phát sinh và phát triển Entropi của các hệ sinh vật giảm xuống còn năng lƣợng tự do của chúng lại
tăng lên 1 , đến một lúc nào đó, độ trật tự của cấu trúc và khả năng sinh công tiềm trữ trong cấu trúc ấy đủ để duy trì sự sống thì các tham số trạng thái của hệ không đổi và ta nói rằng hệ ở trong các trạng thái dừng. Đặc trƣng này thể hiện rất rõ ở cơ thể ngƣời. Nếu điều kiện môi trƣờng không có những thay đổi quá lớn, nhiệt độ của cơ thể, thành phần cấu trúc của máu, thành phần hóa học các dịch nội bào và chất lỏng gian bào, nhịp tim, nhịp hô hấp,… đều có giá trị
35
hằng định. Trạng thái dừng không chỉ thể hiện ở môi trƣờng bên trong cơ thể hay hoạt động của toàn bộ cơ thể mà còn ở tất cả các tế bào của nó và đƣợc đặc trƣng bởi các giá trị không đổi của các Gradient nồng độ, điện, thẩm thấu cũng nhƣ các chỉ tiêu hóa lý khác.
Về toán học, các biến đổi theo thời gian có dạng:
;
i e i e
dS d S d S dF d F d F
dt dt dt dt dt dt
Nếu muốn có trạng thái dừng:
; 0 ons . 0 ons . i e i e d S d S d F d F dt dt dt dt dS S C t dt dF F C t dt
Hay muốn có trạng thái dừng entropi và năng lƣợng tự do của hệ là không đổi.
Vậy cân bằng dừng của hệ mở khác với cân bằng nhiệt động của hệ cô lập (mà ta đã biết trƣớc đây) về mặt bản chất. Chúng giống nhau chỉ ở hiện tƣợng (các tham số trạng thái không đổi), song khác nhau ở phƣơng thức duy trì trạng thái ấy (cân bằng nhiệt động: không xảy ra các quá trình, cân bằng dừng: tốc độ và hƣớng của các quá trình cân bằng lẫn nhau). Bảng dƣới đây chỉ ra những sự khác nhau cơ bản đó:
36
Cân bằng nhiệt động Cân bằng dừng
Ví dụ: Bình mở, một phần chứa chất lỏng, một phần chứa hơi.
1.Không có dòng vật chất ra và vào môi trƣờng.
2.Không cần tiêu phí năng lƣợng tự do để duy trì cân bằng.
3.Năng lƣợng tự do và khả năng sinh công của hệ bằng không.
4. Entropi của hệ có giá trị cực đại.
5.Không có gradient trong hệ.
Ví dụ: Ngọn nến đang cháy, cơ thể sống.
1.Có dòng vật chất không đổi vào hệ và ra khỏi hệ.
2.Luôn cần tiêu thụ năng lƣợng tự do để duy trì cân bằng.
3.Năng lƣợng tự do và khả năng sinh công của hệ là không đổi. 4.Entropi của hệ không có giá trị cực đại.
5.Có gradient không đổi trong hệ.
Nguyên nhân của sự khác nhau này rất rõ ràng. Trong hệ cô lập d Se 0 do vậy dS d Si và điều kiện dS 0đồng nhất với điều kiện d Si 0. Hơn nữa, nguyên lý II nhiệt động học nói rằng Entropi (S) chỉ có thể tăng, nên điều kiện cân bằng chính là khi Skhông thể tăng đƣợc nữa: S Smax. Nếu hệ mở, d Se 0, do vậy điều kiện dS 0chỉ có nghĩa là d Se d Si nghĩa là
0
i
d S và Entropi của hệ không phải là Smax. Với năng lƣợng tự do ta cũng có lý luận hoàn toàn tƣơng tự để dẫn tới kết luận rằng: trong cân bằng nhiệt động
min 0
F F , còn trong cân bằng dừng F Fmin(F 0). Chính hai khác biệt cơ bản này cho phép ta suy ra hay lý giải tất cả sự khác biệt còn lại.
Trong các trạng thái dừng nhƣ vậy, luôn xảy ra quá trình bất thuận nghịch ở bản thân hệ, cho nên:
0
i
d S dt
37
nghĩa là tƣơng tác giữa cơ thể và môi trƣờng thể hiện qua dòng Entropi âm đi từ môi trƣờng vào cơ thể.
Nghiên cứu các hệ thống mở, Prigogine đã phát biểu nguyên lý sau: Trong trạng thái dừng, tốc độ tăng Entropi quy định bởi các quá trình bất thuận nghịch là dƣơng và nhận giá trị nhỏ nhất trong các giá trị có thể, tức là trong trạng thái phân tán năng lƣợng tự do là cực tiểu vì Entropi là độ đo sự phân tán của năng lƣợng tự do. Để duy trì trạng thái dừng chỉ cần dòng cực tiểu trong tất cả các giá trị khả dĩ của năng lƣợng tự do. Nếu vì một lý do nào đấy mà hệ lệch ra khỏi trạng thái dừng, là do bản năng của hệ là hƣớng tới sự tăng Entropi cực tiểu nên trong bản thân hệ sẽ xảy ra những thay đổi nội tại đẩy hệ quay dần trở về trạng thái dừng ban đầu. Đây chính là phƣơng thức tự điều chỉnh để duy trì trạng thái dừng của cơ thể mà nhờ đó ta có trạng thái dừng đƣợc xem là ổn định. Khả năng tự ổn định nhƣ vậy là một nét đặc trƣng cho tổ chức sống.
Khi sự thay đổi điều kiện sống khá lớn, cơ thể sẽ chuyển sang một trạng thái mới phù hợp với môi trƣờng hơn. Có ba phƣơng pháp chuyển trạng thái dừng:
-Chuyển theo hàm e mũ với xu hƣớng tiệm cận (ví dụ: Tần số thở và nhịp đập của tim ngƣời khi tăng cƣờng độ lao động).
-Chuyển với độ lệch dƣ (ví dụ: Sự thay đổi áp lực máu ở động mạch khi đột ngột tăng cƣờng độ lao động).
-Chuyển với xuất phát giả (ví dụ: Thay đổi đƣờng kính mạch máu khi đột ngột tăng nhiệt độ).