ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Временные и пространственно-временные структуры. Реакция Белоусова—Жаботинского из "Неравновесная термодинамика и физическая кинетика " Простейшим примером пространственных диссипативных структур являются ячейки Бенара, обнаруженные им еще в 1900 г. [c.33] Если горизонтальный слой жидкости сильно подогреть снизу, то между нижней и верхней поверхностями возникает разность температур АТ=Т —7 2 0. При малой разности температур АТ АТк ниже некоторого критического значения АГ подводимое снизу тепло распространяется вверх путем теплопроводности и жидкость остается неподвижной. Однако при разности температур выше критической А7 Д7 в жидкости начинается конвекция холодная жидкость опускается вниз, а нагретая поднимается вверх. [c.33] При переходе от докритического к сверхкритическому режиму спонтанно меняется симметрия системы, что аналогично термодинамическим фазовым переходам. Поэтому переходы в неравновесных системах называют кинетическими фазовыми переходами. [c.33] Как уже отмечалось, диссипативные структуры возникаюг лишь в сильно неравновесных многочастичных системах, состояние которых описывается нелинейными уравнениями для макроскопических величин. Для описания возникновения ячеек Бенара в жидкости используются нелинейные уравнения гидродинамики. При этом привлекаются критерии неустойчивости решений дифференциальных уравнений, установленные известным русским математиком А. М. Ляпуновым. Исследования показывают, что при k решение уравнений гидродинамики, соответствующее покоящейся жидкости и обычной теплопередаче, становится неустойчивым и жидкость переходит в новый устойчивый конвекционный режим. [c.34] Другим примером пространственных диссипативных структур является так называемая решетка вакансионных пар, экспериментально обнаруженная Дж. Эвансом в 1970 г. при исследовании микроструктуры молибдена, облученного ионами азота. Известно,, что облучение металла быстрыми частицами (нейтронами, ионами) приводит к образованию в кристаллической решетке точечных дефектов — вакансий и межузельных атомов. При повышении температуры эти вакансии, двигаясь в кристалле, образуют сложные кластеры дефектов в виде сферических вакансионных пор и плоских дислокационных петель. Обычно такие кластеры образуют пространственно однородную систему. Однако при определенных условиях облучения вакансионные поры располагаются упорядоченно в виде правильных сверхрешеток , тип которых совпадает с типом кристаллической решетки металла и имеющих период, в сотни раз превыщающий период этой рещетки. Образование таких упорядоченных структур вакансионных пор вызвано нелинейным динамическим взаимодействием точечных дефектов с мелкими вакансионными кластерами и диффузионным взаимодействием между порами. [c.34] К числу пространственных диссипативных структур принадлежат также кольца Сатурна. Образование этой структуры (более-90 колец, различаемых современной аппаратурой) обусловлено неравновесностью вращающегося вокруг планеты вещества и притяжением его к Сатурну и взаимодействием отдельных частиц вещества между собой. [c.34] Явление самоорганизации, приводящие к образованию упорядоченных во времени диссипативных структур, возникают при протекании некоторых нелинейных химических реакций, В которых скорость образования продукта реакции, например, квадратично зависит от концентраций реагирующих компонентов. [c.34] Реакция (3.8) автокаталитическая — в ней продукты реакции являются ее катализаторами и ускоряют протекание самой реакции. Свободный ион Вг реакции (3.7) действует как сильный ингибитор (замедлитель) реакции (3.8). Поэтому вначале протекает только реакция (3.7), пока все ионы Се + не превратятся, в Се +. Затем начинается весьма быстротекущая реакция (3.8), все ионы Се + превращаются в Се +, и процесс начинается сначала. В результате возникает периодическая временная структура, для которой характерно изменение цвета раствора от красного (избыток Се +) к синему (избыток Се +) и обратно. Колебания окраски происходят с периодом около 4 мин и продолжаются до до тех пор, пока не израсходованы все реагенты, т. е. пока система далека от термодинамического равновесия. [c.35] Вследствие принципиальной новизны исследования Б. П. Белоусова своевременно не были поняты его статьи не принимались к опубликованию ни в 1951, ни в 1957 г. редакциями двух научных журналов ввиду теоретической невозможности описываемых в них реакций . Исследования Б. П. Белоусова были продолжены и детально развиты А. М. Жаботинским. В 1980 г. группе авторов — Б. П. Белоусову (посмертно) и А. М. Жаботинско-му с сотрудниками была присуждена Ленинская премия за открытие нового класса автоволновых и автоколебательных процессов. [c.35] Заметим, что один из основателей общей теории возникновения диссипативных структур И. Р. Пригожин (Бельгия) в 1977 г. за работы по термодинамике был удостоен Нобелевской премии. [c.35] История с работой Б. П. Белоусова показывает, как иногда новые факты и идеи, противоречащие сложившимся ранее представлениям, длительное время не принимаются и не развиваются. Не допустить этого могут лишь научные кадры, по-ленински владеющие диалектикой. [c.35] В ряде случаев нелинейные химические реакции, идущие в тонком слое, приводят к образованию пространственно-временной структуры, которая имеет вид кольцевых и спиральных волн. Возникновение таких структур в нелинейных химических реакциях связано с локальными флуктуациями концентраций и диффузией реагентов. [c.35] Вернуться к основной статье