В настоящее время для исследования неравновесных процессов существует два подхода: микроскопический и макроскопический [Старостин, Халютин, 2013; Айзеншиц, 1963; Квасников, 2002a; Квасников, 2002b; Квасников, 2002c; Эткин, 2008; Жоу, Каскас-Баскес, Лебон, 2006; Пригожин, Кондепуди, 2002; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991; Агеев, 2001]. Микроскопический подход описания неравновесных процессов основан на неравновесной статистической механике и кинетической теории [Старостин, Халютин, 2013; Айзеншиц, 1963; Квасников, 2002c]. Эти теории основываются на уравнениях движения частиц, как, например, уравнение Больцмана [Айзеншиц, 1963; Квасников, 2002c].
Различные неравновесные процессы, как теплопроводность, электропроводность, термоэлектричество и пр., исследованы таким путем [Айзеншиц, 1963; Квасников, 2002c]. Со многих точек зрения статистическая или кинетическая теории в принципе являются наиболее удобными для физика. Они дают полное представление механизма явлений и обеспечивают возможность количественного определения коэффициентов, входящих в уравнения, описывающие эти процессы (например, уравнение диффузии, теплопроводности) [Айзеншиц, 1963].
Однако они базируются на известных моделях молекул и применяются для определенных классов необратимых процессов [Старостин, Халютин, 2013; Айзеншиц, 1963; Квасников, 2002c]. Поэтому эти теории, несмотря на то, что дают глубокое физическое описание явлений, не нашли широкого применения для моделирования неравновесных процессов в технических, технологических системах, в природе, в живых организмах [Старостин, Халютин, 2013].
Альтернативой микроскопического подхода описания неравновесных процессов является макроскопический подход [Старостин, Халютин, 2013; Квасников, 2002a; Квасников, 2002c; Эткин, 2008; Жоу, Каскас-Баскес, Лебон, 2006; Пригожин, Кондепуди, 2002; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991; Агеев, 2001; Бахарева, 1976], основанный на современной термодинамике.
Предметом современной термодинамики является изучение тех наиболее общих свойств макроскопических тел, которые не зависят от конкретного микрофизического строения этих тел и которые проявляются в процессах обмена энергией между телами [Квасников, 2002a; Квасников, 2002c; Эткин, 2008; Жоу, Каскас-Баскес, Лебон, 2006; Пригожин, Кондепуди, 2002; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991].
Любые явления в природе и технике сопровождаются обменом энергией, поэтому термодинамика, разрабатывая общие методы изучения энергетических явлений, имеет всеобщее методологическое значение и ее методы используются в самых различных областях знания [Старостин, Халютин, 2013; Квасников, 2002a; Квасников, 2002c; Эткин, 2008; Жоу, Каскас-Баскес, Лебон, 2006; Пригожин, Кондепуди, 2002; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991; Агеев, 2001; Бахарева, 1976].
Современная термодинамика подразделяется на равновесную (классическая термодинамика) и неравновесную [Старостин, Халютин, 2013; Квасников, 2002a; Квасников, 2002c; Эткин, 2008; Жоу, Каскас-Баскес, Лебон, 2006; Пригожин, Кондепуди, 2002; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991; Агеев, 2001; Бахарева, 1976]. Классическая (равновесная) термодинамика изучает равновесные состояния и равновесный (квазистатический) переход из одного равновесного состояния в другое [Квасников, 2002a; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991].
Равновесным (квазистатическим) процессом называется процесс, состоящий из последовательности во времени состояний термодинамического равновесия [Квасников, 2002a; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991]. Неравновесный же процесс представляет собой последовательность состояний рассматриваемой системы, не являющихся равновесными; равновесный процесс является частным случаем бесконечно медленного неравновесного процесса, при котором изменение параметров системы соизмеримо со временем релаксации системы [Квасников, 2002a; Квасников, 2002c; Эткин, 2008; Жоу, Каскас-Баскес, Лебон, 2006; Крутов, Исаев, Кожинов, 1991]. Таким образом, неравновесные процессы являются общим случаем физико-химических процессов.