ДИСИПАТИВНІ СТРУКТУРИ

Осередки конвенктівного масопереносу

Мал. 153. Осередки конвенктівного масопереносу

Фізично найпростішої дисипативної структурою є шестикутні осередки конвенктівного масопереносу в шарі рідини, на кордонах якого є різниця температур, що перевищує деяке граничне значення (поріг). У центрах осередків рідина піднімається, по краях - опускається (рис. 153). Така система обмінюється з навколишнім середовищем тільки теплом. У стаціонарному стані вона отримує при температурі Т деяку кількість теплоти AQ, яке і віддає з низькотемпературної поверхні Т 2 .

У термодинаміки, поряд з теплотою і енергією, користуються поняттям ентропії S. Це функція стану термодинамічної системи і її зміна AS в будь-якому процесі визначають за формулою

Наприклад, при плавленні кристала AQ одно теплоті фазового переходу (прихованої теплоті плавлення), а Т одно температурі плавлення. Теплота плавлення йде на руйнування кристалічної решітки: AQ> О і Т> 0, тому AS> 0. Інакше кажучи, при збільшенні безладу ентропія зростає.

Для розглянутого нами ефекту Бенара загальну зміну ентропії дорівнюватиме:

І.Р. Пригожин показав [15], що у всіх випадках встановлення порядку в дисипативних структурах вони знижують свою ентропію, можна навіть сказати - вони віддають свою ентропію навколишньому середовищу. Так що дві обставини важливі для самоорганізації: обмін енергією і зменшення ентропії; якщо ці умови виконуються, то ми можемо очікувати проявів просторово-часової впорядкованості, зростання організаційних форм в живій і неживій природі.

У зв'язку з цим звернемо увагу на деяку подібність умов, в яких знаходиться Земля, з умовами ефекту Бенара: Земля отримує від Сонця енергію при температурі планковского спектра 6000 К, а випромінює таку ж кількість теплоти в ІК-області спектра, що відповідає температурі випромінювача приблизно 300 К . З формули (68) випливає, що при такому розходженні температур і A Q = const потік ентропії від Землі виявляється набагато більше, ніж вона отримує її від Сонця. Таким чином, умова (69), необхідне для появи дисипативних структур, на Землі виконується.

Фотографії періодичних хімічних реакцій

Мал. 154. Фотографії періодичних хімічних реакцій

Якщо немає умов для «скидання» ентропії в навколишнє середовище, то самоорганізація виявляється недовговічною, як у випадку коливальних хімічних реакцій Білоусова-Жаботинського. У цих реакціях спостерігається тимчасова упорядкованість в окисно-відновних станах Се 3 і Се 4+ в суміші сірчаної кислоти, сульфату церію, малонової кислоти і бромага калію. Індикатор окислювально-відновних умов (ферроіна) дозволяє бачити періодичність зміни кольору розчину від червоного до синього (рис. 154). При підборі концентрації речовин, після деякого числа коливань забарвлення, мимоволі утворюються розділені просторові шари синього і червоного кольорів. Час їх існування досягає 30 хвилин. Так як реакції йдуть в замкнутій системі при ізотермічних умовах, то стабільних дисипативних структур не утворюється. За образним висловом А.І. Осипова [25], хімічний «організм» гине, задушений надлишком ентропії, яку немає можливості виділити в навколишнє середовище. Стаціонарна диссипативная структура, за словами Е. Шредінгера, повинна «добувати впорядкованість з навколишнього середовища, збільшуючи в ній безлад».

Часто кажуть, що роботи І.Р. Пригожина привели до становлення сучасної термодинаміки, що відповідає новим концепціям природознавства. У чому відмінність нерівноважноїтермодинаміки від класичної? Як відомо, класична попередниця заснована на кількох узагальненнях сукупності експериментальних фактів (засадах термодинаміки).

Перший закон висловлює собою закон збереження енергії стосовно теплових процесів, і воно зазвичай знайоме зі шкільного курсу фізики. Другий закон термодинаміки має кілька еквівалентних формулювань, одна з яких говорить, що в замкнутих системах ентропія незворотних процесів може тільки зростати. За твердженням Р.Клаузиуса (1822-1888), автора поняття «ентропія», «енергія Всесвіту постійна, ентропія Всесвіту зростає».

Л.Больцман (1844-1906) показав статистичний сенс поняття ентропії: для абсолютного порядку існує єдиний варіант стану системи і ентропія дорівнює нулю; безладне розташування складових системи (хаос) має незліченну кількість варіантів і ентропія в цьому випадку прагне до нескінченності. Всякий раз, коли ентропія системи зростає, відбувається перехід в менш упорядкований стан (по якому-небудь параметру цієї системи).

Слід підкреслити, що закон зростання ентропії можна застосовувати тільки для безлічі частинок. Як і поняття температури. Для однієї частки або для одиничного об'єкта спостереження його просто неможливо сформулювати.

У класичній термодинаміці закон збереження енергії відіграє роль бухгалтера, яка урівнює дебет і кредит, тоді як роль директора, розпорядчого спрямування фінансових вкладень, належить ентропії.

До робіт І.Р. Пригожина напрямок мимовільних процесів пропонувалося тільки в одну сторону - в сторону зростання ентропії. Коли маленьке, нагріте до високої температури тіло приводиться в контакт з холодним і більш потужним, то теплота передається тільки від гарячого до холодного, з цим кожен стикався в повсякденному житті. Прості розрахунки показують зростання ентропії в процесі охолодження праски на холодній плиті. Але ніхто ніколи не чув од мимовільного нагрівання праски за рахунок ще більшого зниження температури плити!

А як же самоорганізуються дисипативні структури, наприклад, в плазмі газового розряду (див. Рис. 155)? Виявляється, що умови процесів принципово відрізняються: в класичній термодинаміці розглядаються майже рівноважні процеси, поблизу рівноваги, тоді як для ефекту самоорганізації необхідні різко нерівноважні стану, далеко від положення рівноваги. Тоді при локальному зниженні ентропії в одній частині в набагато більшому ступені зросте ентропія інший, так що в сумарному підсумку другий початок виявиться справедливим.

Ефекти упорядкування в плазмі газового розряду

Мал. 155. Ефекти упорядкування в плазмі газового розряду

Сумісність феномена самоорганізації з дією другого закону термодинаміки - це одне з найбільших досягнень сучасного природознавства, воно має важливе значення для багатьох природних процесів.

Вище ми розглядали концепцію Великого вибуху. Вважається, що Всесвіт з'являється в стані надзвичайно високого порядку. Оскільки ще немає агрегатних станів і самих хімічних елементів, порядок виражається в найвищої симетрії взаємодій частинок-полів (єдність кварків, лептопів і Гравітон). Потім симетрія порогового знижується, починається зростання ентропії Всесвіту, який, на думку С. Хокінга, задає напрям термодинамічної стріли часу, і вона є сонаправленнимі космологічної стрілі часу, що відрізняє розширення Всесвіту від стиснення. Сумісність самоорганізації структур і процесів з другим початком термодинаміки призводить також до сонаправленнимі ходу космологічного і біологічного часу живих істот.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >