ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Диссипативные структуры из "Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов " Николис и И. Пригожин понятие о диссипативных структурах сформулировали следующим образом [5] ...как удаленность от равновесия, так и нелинейность могут служить причиной возникновения упорядоченности в системе. Между упорядоченностью, устойчивостью и диссипацией возникает в высшей степени нетривиальная связь. Чтобы четче выяснить эту связь, мы будем называть упорядоченные конфигурации, появляющееся вне области термодинамической ветви, диссипативными структурами. Такие структуры могут существовать вдали от равновесия лишь за счет достаточно большого потока вещества. Диссипативные структуры являют собой поразительный пример, демонстрирующий способность неравновесности служить источником упорядоченности . [c.60] Таким образом, неравновесные связи и ограничения в открытых системах допускают новые состояния материи, свойства которых резко отличаются от свойств равновесных состояний. [c.61] Диссипация энергии есть процесс перехода части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, а в конечном итоге - в теплоту. Переход диссипативной системы в упорядоченное состояние связан с неустойчивостью предшествующего, неупорядоченного, состояния, когда параметры системы превышают некоторые критические значения. Первоначально устойчивая диссипативная структура в процессе эволюции системы, достигая порога неустойчивости, начинает осциллировать, а возникающие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой, более устойчивой на данном иерархическом уровне диссипативной структуры. [c.61] Рассмотрим примеры диссипативных структур, самоорганизующихся в системах различной природы. А.И. Гапонов-Грехов и М.И. Рабинович [33] по аналогии с классификацией колебаний (свободные, вынужденные и автоколебания) классифицировали пространственно-временные структуры на свободные, вынужденные и автоструктуры. [c.62] Свободные структуры - это такие структуры, на форму и существование которых среда, в которой они образуются, не накладывает офаничения (например, кольца дыма). [c.62] Вы ужден ые структуры - это структуры, возникающие в условиях, когда их форма ограничивается пространством, в котором они формируются (например, кольцевые конвективные валы в циллиндрическом контейнере). [c.62] Рассмотрим неустойчивость Бенара, возникающую при нагреве снизу горизонтального слоя жидкости (масла) (рисунок 1.22). [c.63] Она связана с возникновением вертикального градиента температур порогового (бифуркационного) уровня. До этого порогового уровня сохраняется стационарное состояние, при котором перенос тепла, осуществляемый снизу вверх, контролируется только теплопроводностью, т.е. в отсутствии конвекции. [c.64] Достижение точки бифуркации, отвечающей самоорганизации диссипативных структур в виде ячеек Бенара (рисунок 1.23, а), сопровождается появлением нового механизма переноса тепла, обусловленного возникновением конвективных потоков. При этом жидкость (рисунок 1.23, б) спонтанно разделяется на гексагональные ячейки, напоминающие соты, в результате кооперативного движения молекул жидкости при достижении критической точки, отвечающей ДТ. Общий поток энтропии через жидкость выразится как кр. [c.64] Как уже отмечалось, важнейшим свойством синергетических систем, независимо от их природы, является проявление принципа подчинения при переходе через порог неустойчивости. Он заключается в том, что множество переменных подчинено одной (или нескольким) переменным, в данном jty4ae -градиенту температуры по толщине слоя жидкости. Таким образом, в отличие от равновесных условий, при которых тепловой поток является источником потерь, в условиях, далеких от равновесия, он становится источником самоорганизующегося порядка, в данном случае ячеек Бенара. [c.65] В химических гетерогенных системах обнаружен иной тип самоорганизации, приводящий к периодическому изменению концентрации реагирующих веществ, причем эти изменения могут происходить как во времени, так и в пространстве. Так что и в неравновесной химической системе стационарное состояние может терять устойчивость, в результате чего возникают приводящие к изменению окраски концентрационные колебания жидкости. [c.65] Рисунок 1.24 - Периодическое изменение концентрации церия в реакции Белоусова - Жаботинского На рисунке 1.25 показаны фотофафии пространственно упорядоченных структур, возникающих в неравновесных химических реакциях. [c.66] В заключение приведем пример гидродинамических часов, рассмотренных в [33]. На рисунке 1.26 представлен пример автоколебаний четырех вихрей в кювете квадратной формы. [c.67] Автоколебательный режим выразился в строго периодическом переза-мыкании пар вихрей, расположенных на диагонали. Такой вид неустойчивости создавали искусственно путем пропускания через тонкий слой электролита в кювете постоянного электрического тока, создаваемого путем магнитной системы специальной конфигурации. Примеров искусственно создаваемых и протекающих в естественных условиях неустойчивостей и самоорганизации диссипативных с фуктур можно привести большое множество. [c.68] Принципиальную роль в этих исследованиях играют компьютеры, позволяющие анализировать нелинейные математические модели с большими сериями расчетов на ЭВМ [20]. Исследование внутренних свойств нелинейных сред и закономерностей их образования позволит в будущем активно воздействовать на способы синтезирования новых ма териалов. [c.68] Вернуться к основной статье