Откры́тые систе́мы — термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом, а также энергией и импульсом.
Видом открытых систем являются химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физической и химической кинетики.
Наиболее простыми являются свойства открытых систем вблизи состояния термодинамического равновесия. Если отклонение от термодинамического равновесия мало и состояние системы изменяется медленно, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, химическими потенциалами компонентов системы, но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени. Степень неупорядоченности таких открытых систем, как и систем в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия открытой системы в неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии.
Отклонения термодинамических параметров от их равновесных значений (термодинамические силы) вызывают в системе движение потоков энергии и вещества. Процессы переноса приводят к росту энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени называют производством энтропии. Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному максимальному значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы, в открытой системе возможны стационарные состояния с постоянным производством энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Такое стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей химических реакций и переноса реагирующих веществ и энергии. При таком «проточном равновесии» производство энтропии минимально (теорема Пригожина). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике открытых систем такую же роль, какую играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов.
При нелинейных процессах возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далеких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определенной пространственной или временной упорядоченностью, которую называют диссипативной, так как ее существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в открытых системах и возможность образований структур исследуются на основе уравнений химической кинетики; баланса скоростей химических реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакции. Накопление активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь: ускорение реакций под воздействием ее продукта (химический автокатализ), или теплоты, выделяющейся при реакции. В открытой химической системе с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся химические реакции. Автокаталитические реакции могут привести к неустойчивости химических процессов в однородной среде и к появлению стационарных состояний с упорядоченным пространственным неоднородным распределением концентраций (диссипативных структур с упорядоченностью на макроскопическом уровне). Характер структур определяется конкретным типом химических реакций. В открытых системах возможны также концентрационные волны сложного нелинейного характера.
Теория открытых систем важна для понимания физико-химических процессов, лежащих в основе жизни, так как живой организм представляет собой устойчивую саморегулирующуюся открытую систему, обладающую высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопическом уровне.Теория открытых систем является частным случаем общей теории систем, к которым относятся системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения. Подобные системы, хотя и не являются термодинамическими, но описываются системой уравнений баланса, в общем случае нелинейных, аналогичных рассматриваемым для физико-химических и биологических открытых систем. Для всех систем существуют общие проблемы регулирования и оптимального функционирования.