Основы термодинамики неравновестных процессов и открытых систем
2.Открытые диссипативные системы
ДИССИПАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ, механические системы, полная энергия которых (сумма кинетической и потенциальной энергий) при движении убывает, переходя в другие виды энергии, напр. в теплоту, т. е. происходит диссипация энергии. Примеры диссипативных систем: тело, движущееся по поверхности другого тела при наличии трения, движение тела в вязкой среде.
Каждая система состоит из элементов (подсистем). Эти элементы находятся в определенном порядке и связаны определенными отношениями. Структуру системы можно назвать организацию элементов и характер связи между ними. В реальных физических системах имеются пространственные и временные структуры. Формирование структуры - это возникновение новых свойств и отношений в множестве элементов системы. В процессах формирования структур играют важную роль понятия и принципы: 1. Постоянный отрицательный поток энтропии . 2. Состояние системы в дали от равновесия . 3. Нелинейность уравнений описывающих процессы . 4. Коллективное (кооперативное) поведение подсистем . 5. Универсальный критерий эволюции Пригожина - Гленсдорфа. Формирование структур при необратимых процессах должно сопровождаться качественным скачком (фазовым переходом) при достижении в системе критических значений параметров. В открытых системах внешний вклад в энтропию ∆S в принципе можно выбрать произвольно, изменяя соответствующим образом параметры системы и свойства окружающей среды. В частности энтропия может уменьшаться за счет отдачи энтропии во внешнюю среду, т.е. когда ∆S < 0 . Это может происходить, если изъятие из системы в единицу времени превышает производство энтропии внутри системы, чтобы начать формирование структуры, отдача энтропии должна превысить некоторое критическое значение. В сильно неравновесном расстоянии переменные системы удовлетворяют нелинейным уравнениям. Таким образом, можно выделить два основных класса необратимых процессов: 1. Уничтожение структуры вблизи положения равновесия. Это универсальное свойство систем при произвольных условиях. 2. Рождение структуры вдали от равновесия в открытой системе при особых критических внешних условиях и при нелинейной внутренней динамики. Это свойство не универсально. Пространственные, временные или пространственно-временные структуры, которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области при критических значениях параметров системы называются диссипативными структурами.
3.Флуктуациями, появление самоорганизаций в открытых системах и период флуктуаций в макроскопические эффекты.
ФЛУКТУАЦИИ (от лат. fluctuatio — колебание), случайные отклонения физических величин от их средних значений; происходят у любых величин, зависящих от случайных факторов. В статистической физике флуктуации вызываются тепловым движением частиц системы. Флуктуации определяют теоретически возможный предел чувствительности приборов. Флуктуации давления проявляются, напр., в броуновском движении малых частиц под влиянием точно не скомпенсированных ударов молекул окружающей среды. Флуктуации характерны для любых случайных процессов.
Рассмотрим один абстрактный пример. Вспомним задачу о колебаниях маятника под действием периодической силы. Во всей области, когда частота этой силы не равна частоте собственных колебаний маятника (ω ≠ ωo), получается решение, отвечающее сумме двух колебаний — вынужденных и сопутствующих. В области ω≈ω0 характер решения принципиально меняется. Получается лишь одно линейно возрастающее по амплитуде колебание. Такое качественное изменение состояния объекта при некоторых критических значениях определяющих это состояние параметров называется бифуркацией. Возможность появления бифуркации существенно связано с неустойчивостью объекта при определенных условиях. Представим, что имеется среда, состоящая из большого числа связанных между собой маятников, собственные частоты которых лежат в некотором интервале ω0min≤ωo≤ω0max. Если с частотой ω, существенно отличающейся от частот в интервале от ω0min до ω0max раскачивать один из маятников, т. е. вводить в среду энергию, то в конце концов в среде установятся колебания с частотой побуждающей силы ω (считаем, что есть трение и поэтому сопутствующие колебания затухнут). Колебательная энергия от источника более или менее равномерно распределится по всей среде. Пусть в этой среде находится хотя бы один маятник, для которого ω0 ≈ ω. Тогда он начнет резонировать, появится резкое возрастание амплитуды и накопление энергии в районе этого маятника. Можно сказать, что возникнет флуктуация. В отличие от флуктуации плотности частиц в малом объеме жидкости или газа в установившемся состоянии рассмотренная флуктуация не исчезнет, а будет возрастать со временем. Такая флуктуация уже не является микроскопической, а приводит к макроскопическому эффекту. Этот процесс называется самоорганизацией.
Для начала процесса необходимо, чтобы в системе появились микрообразования, склонные к бифуркациям. Тогда подходящая микрофлуктуация может как бы запустить процесс нарастания неустойчивости и привести к макроскопическому эффекту.
Всякое разрастание флуктуации в среде до макроскопических размеров или самоорганизация неизбежно приводит к появлению порядка из беспорядка и является процессом, прямо противоположным тем, которые мы рассматривали выше. Таким процессам свойственно уменьшение энтропии. Получается, что второе начало термодинамики уже не справедливо. Попробуем разобраться.
Остановимся на некоторых простейших примерах появления самоорганизации в газе и жидкости. Известно, что если поместить газ или жидкость в сосуд, дно и «крыша» которого находятся при разных температурах, а стенки охлаждаются, то в среде возникают конвекционные потоки частиц (рис. 10.5). Не только появляется постоянно существующее (пока T1 Ф Т2) макроскопическое движение, но и плотность частиц в конвекционных токах оказывается выше, чем вне их. Это и позволяет заметить такие токи; особенно хорошо они видны, если жидкость подкрасить. Такая конвекция наблюдается только тогда, когда сосуд достаточно большой, т. е. существует некоторый критический размер, ниже которого эффект не возникает. Имеется, стало быть, известная аналогия с цепной реакцией в атомной бомбе, где взрыв возникает только тогда, когда масса заряда становится выше некоторой критической.