15. Второе начало термодинамики и эволюционная парадигма. Открытые термодинамические системы. Понятия потока и градиента.

Формулировка Р. Клаузиуса: не существует процесса, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Формулировка У. Кельвина и М. Планка: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.

Формулировка второго начала термодинамики: энтропия изолированной системы не может убывать DS ≥ 0

Эволюционная парадигма: В процессе развития происходит переход к новым, более упорядоченным формам.

Второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных равновесных систем.

Природные объекты – открытые неравновесные системы.

В таких системах возникает неоднородное распределение термодинамических параметров и происходит обмен энергией, веществом, информацией и т.д.

Процессы в открытых неравновесных системах исследует неравновесная термодинамика.

Градиент – физическая величина, характеризующая степень неоднородности распределения какой-либо величины.

(Градиент— вектор, своим направлением указывающий направление наискорейшего возрастания некоторой величины , значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный быстроте роста этой величины в этом направлении)

Наличие градиента вызывает появление потока другой физической величины (градиент температуры – поток тепла…).

Различают слабонеравновесные и сильнонеравновесные открытые системы.

В слабонеравновесной системе ( близкой к термодинамическому равновесию) поток переносимой величины линейно связан с соответствующим градиентом.

В сильнонеравновесной системе потоки являются нелинейными функциями соответствующих градиентов.

16. Основы неравновесной термодинамики. Градиент, поток, Флуктуация. Поведение различных систем при возникновении флуктуаций.

Градиент – физическая величина, характеризующая степень неоднородности распределения какой-либо величины.

(Градиент— вектор, своим направлением указывающий направление наискорейшего возрастания некоторой величины , значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный быстроте роста этой величины в этом направлении)

Наличие градиента вызывает появление потока другой физической величины (градиент температуры – поток тепла…).

Флуктуация - случайное, локальное отклонение параметров от их среднего значения в данной точке.

Поведение различных систем.

17. Понятие самоорганизации. Ячейки Бенара, диссипативные структуры, точка бифуркации. Бифуркционная диаграмма открытой сильнонеравновесной системы.

Самоорганизация — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия (изменение внешних условий может также быть стимулирующим воздействием). Результат — появление единицы следующего качественного уровня.

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.

Характерные признаки самоорганизации:

1. Система является сложной, т.е. состоит из большого числа элементов.

2. Система является открытой.

3.  Неустойчивость и нелинейность свойств системы при увеличении внешнего воздействия.

4. Быстрая перестройка системы при согласованном поведении ее элементов.

5. Конкуренция состояний системы.

6. Уменьшение энтропии системы в результате обмена с внешней средой.

Ячейки Бенара - самоорганизация в физических явлениях.

Ячейки Бенара или Рэлея-Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемой снизу. В качестве жидкости используется, как правило, силиконовое масло.

Структуры, возникающие как результат самоорганизации в сильнонеравновесных системах, получили название диссипативных структур.

Точка бифуркации - состояние, при котором в сильнонеравновесной системе происходит переход к новому типу поведения.

В этой точке у системы появляется возможность выбора.

Бифуркационная диаграмма открытой термодинамической системы