Концепция самоорганизации

15.1 Общие замечания

Ключом к разрешению вышеуказанного противоречия является то, что второе начало термодинамики сформулировано только для изолированных систем. А как быть с открытыми системами?

Открытая система –может обмениваться с окружающей средой энергией, веществом и информацией

В дальнейшем мы увидим, что в открытых системах могут происходить очень интересные и своеобразные явления, получившие следующее обобщающее название:

Самоорганизация – обретение системой структуры (пространственной, временной или пространственно-временной) без специфического воздействия извне.

Пояснить значение термина «специфическое воздействие».

Синергетика– наука о самоорганизации.

Основы этой науки заложил в 1969 г. немецкий физик Герман Хакен(р.1927) в книге «Синергетика». Однако, автором этого термина является не он, а английский физиолог Ч.Шеррингтон. Слово происходит от греческого συνεργητικος – совместный, согласованно действующий.

Эта наука интегрирует в себе знания многих наук, а потому является наукой синтетической.

Большой вклад в теорию самоорганизации внёс бельгийский физико-химик Илья Романович Пригожин (р. 1917 г. в Москве). Книга «Порядок из хаоса». Получил Нобелевскую премию по химии (1977 г.).

Пригожин дополнил второе начало термодинамики:

В открытых системах энтропия может и убывать, но за счет возрастания энтропии окружающей среды.

Фактически в этом случае имеет место «производство» энтропии внутри системы и сброс её в окружающую среду. Если сброс энтропии превышает её производство, то энтропия системы будет убывать, т.е. система будет упорядочиваться. Рассмотрим эту процедуру на конкретных примерах.

Примеры возникновения упорядоченных структур в открытых системах были известны ещё задолго до появления терминов «самоорганизация» и «синергетика». Рассмотрим на одном из таких конкретных примеров основные закономерности явления самоорганизации.

15.2 Конвективные ячейки Бенара

Впервые это явление наблюдал в 1900 г. Бенар.

Описание системы: Горизонтальный слой вязкой жидкости (у Бенара – ртуть, можно также взять силиконовое масло или даже китовый жир) заключен между двумя пластинами. Температура верхней пластины , температура нижней пластины (см. рисунок). Про такие случаи принято говорить «в системе имеется градиент температуры». Объяснить про градиент, вспомнить градиентную заливку в Photoshop’е. Очевидно, что в этой системе будет происходить непрерывная перекачка тепловой энергии от нижней пластины к верхней.

Возможны 2 механизма теплопередачи:

Ø Теплопроводность – обмен энергией между соседними молекулами.

Ø Конвекция – перенос тепла вместе с перемещением частей жидкого вещества.

Механизм конвекции:

Ø нагретая жидкость расширяется и «всплывает» под действием Архимедовой силы

Ø холодная жидкость имеет большую плотность и «тонет» под действием силы тяжести

Поведение такой системы определяется разностью температур нижней и верхней пластин :

1. Если разность температур мала, т.е. меньше некоторого критического значения , тепло передаётся через жидкость только путем теплопроводности

2. Если в игру вступает механизм конвекции

Подробно нарисовать на доске процесс образования ячеек Бенара. Показать слайд с окончательной картиной. Обратить внимание на шестиугольную форму ячеек Бенара. Если вязкость при нагревании уменьшается, то внутри ячеек жидкость поднимается вверх, а по краям – опускается вниз.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 136; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!