Вопрос 16

Примеры самоорганизующихся систем (ячейки Бенара, реакция Жаботинского-Белоусова, модель «хищник жертва»).

Ячейки Бенара.

Если слой жидкости сильно нагреть, то возникает градиент температуры ΔТ между нижней и верхней поверхностями. Жидкость у нижней поверхности вследствие теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней поверхности. Из-за наличия силы тяжести и архимедовой силы такая система оказывается неустойчивой, поскольку легкий нижний слой и тяжелый верхний должны поменяться местами. При небольших градиентах температуры движение не возникает и тепло передается только путем теплопроводности. Лишь при достижении критического значения градиента температуры возникает конвекционный поток, обладающий структурой в виде шестиугольных ячеек. Внутри ячеек жидкость поднимается вверх, а по краям опускается вниз. То есть наблюдается высокоорганизованная структура, возникающая в результате коллективного движения молекул жидкости. Внутренняя структура или самоорганизация поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии. Ячейки Бенара в миниатюре воспроизводят условия, необходимые для существования жизни на Земле. Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает ее, что сопровождается ростом энтропии, и выбрасывает энергию в химическое пространство вместе с наработанной энтропией.

Вопрос 17

Термодинамическая система. Понятие состояния. Равновесные и неравновесные состояния.

Понятие состояния. Равновесные и неравновесные состояния.

Состояние системы – это совокупность данных, позволяющая предсказать эволюцию системы во времени. Равновесным является такое состояние изолированной системы, в которое она переходит по истечении бесконечно большого промежутка времени. Практически равновесие достигается за конечное время. Если система находится в состоянии равновесия, то в равновесии находятся и отдельные ее макроскопические части. При неизменных внешних условиях такое состояние не меняется со временем. Равновесное состояние характеризуется не- большим числом физических параметров (p, V, T). В процессе перехода из одного равновесного состояния в другое система проходит через непрерывный ряд состояний, которые не являются равновесными. Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний, является обратимым, его можно совершать в обратном направлении. Термодинамика дает количественное описание обратимых процессов, а для необратимых процессов устанавливает лишь неравенства и указывает направление их протекания.

Процессы передачи тепла являются необратимыми процессами. Их изучением занимается наука, называемая термодинамикой. Если классическая механика описывает законы движения тел под воздействием внешних сил, отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика исследует физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Но она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул. Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, дается статистической физикой.