Понятие о диссипативных структурах.

Представим, что мы движемся на автомобиле по абсолютно ровной дороге. Выключив двигатель, мы прерываем приток энергии от сгорания топлива, и автомобиль начинает двигаться свободно. Какой высокой ни была бы его начальная скорость, рано или поздно он остановится. Силы трения между покрышками колес и покрытием дороги, трение между внутренними частями автомобиля, а также сопротивление воздуха делают свое дело - энергия движения автомобиля превращается в тепловую энергию и рассеивается. При этом немного нагреваются колеса и движущиеся механизмы автомобиля, дорожное покрытие и окружающий воздух.

Таким образом, при свободном движении наш автомобиль рассеивает упорядоченную кинетическую энергию своего движения и превращает ее в хаотическое тепловое движение молекул. Большинство существующих в природе механических систем ведут себя так же. Если говорить обобщенно, полная механическая энергия (потенциальная + кинетическая) в них убывает, переходя в другие формы энергии, которые в конечном итоге переходят в тепловую. Такие системы принято назвать диссипативными системами (от англ. dissipate - рассеивать).Соответственно, сам процесс рассеяния энергии называют диссипацией.

Свойство диссипации энергии на самом-то деле привычно нам, даже исходя из обыденного опыта, и оно чрезвычайно важно. Внезапные физические нагрузки заставляют наш организм работать в более интенсивном режиме. При этом происходит накачка в него энергии за счет сжигания пищи, аналогичная подаче дополнительной порции топлива при резком разгоне автомобиля. Как только нагрузка прекращается, скажем, мы пробежали стометровку и отдыхаем, организм включает механизмы диссипации дополнительной энергии, подведенной при беге. Сердечные мышцы начинают сокращаться все медленнее, кровь насыщается кислородом, замедляются реакции обмена. Если бы не было механизма диссипации, подобная накачка энергии приводила бы биологические системы к смерти вскоре после их рождения.

Под термином "диссипация" мы также понимаем процесс взаимного превращения энергий, а не только превращения различных видов более упорядоченной энергии в тепловую с последующим ее рассеянием. Не смотря на такую оговорку, рассматриваемые здесь примеры остаются случаями диссипации.

Иногда поток подводимой к системе энергии может достигнуть такой интенсивности, что старый механизм диссипации уже не может справиться с ним. Системе грозит разрушение. Тогда она производит внутреннюю перестройку своих элементов таким образом, чтобы процесс рассеяния энергии пошел бы более интенсивно. По сути это аналогично действию принципа Ле-Шателье для равновесных систем: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать какое-либо воздействие, то в системе произойдут процессы, ослабляющие это воздействие.

Такая внутренняя перестройка приводит к образованию диссипативных структур, то есть структур, сформированных с целью более интенсивного рассеяния энергии, подводимой в систему.

а)	б)
рис. 6.8 - ячейки Бенара

В гидродинамике увеличение скорости течения жидкости приводит к смене ламинарного режима течения турбулентным. До недавнего времени это отождествлялось с переходом от порядка к хаосу. В действительности же обнаружено, что в точке перехода происходит упорядочение, при котором часть энергии системы переходит в макроскопически упорядоченное вихревое движение. Завихрения в турбулентном движении являются, таким образом, диссипативными структурами.

Рис. 6.9. Зависимость скорости переноса теплоты от разности температур: 1- покоящаяся жидкость; 2- ячейки Бенара

Вот другой пример. Нальем в плоский сосуд тонкий слой воды или масла и будем его нагревать. При определенной интенсивности нагрева между дном сосуда и поверхностью жидкости устанавливается определенная разность температур DТ. Скорость переноса теплоты dQ/dt сквозь слой налитой жидкости прямо пропорциональна этой разности и контролируется только теплопроводностью. Однако, при критическом значении разности температур DТ_кр гладкая однородная поверхность жидкости вдруг разбивается на ряд отдельных ячеек, называемых ячейками Бенара (рис. 6.8), в каждой из которых осуществляется процесс конвекции. При достижении критической точки скорость переноса теплоты резко увеличивается за счет явления конвекции. Так усиливается интенсивность диссипации подводимой энергии (рис. 6.9). Ячейки Бенара, следовательно, являются диссипативными структурами.

Диссипативные структуры как правило высокоупорядочены. Они отличаются от равновесных структур тем, что для своего существования они требуют постоянного притока энергии извне. Очевидно, что диссипативные структуры могут формироваться лишь в диссипативных системах, находящихся в критических условиях. Переход диссипативной системы в упорядоченное состояние связан с неустойчивостью предыдущего, неупорядоченного. При этом определенный параметр системы превышает критическое значение. С переходом в новое структурное состояние система приобретает новый способ функционирования, обеспечивающий ее устойчивость в новом состоянии.

При внутренней перестройке система проходит через неустойчивое состояние, то есть через этап строительства. Переход к новому устойчивому состоянию, новой диссипативной структуре, можно описать последовательностью:

устойчивость-1®неустойчивость®устойчивость-2.

Представим себе небольшую организацию, занимающуюся сбытом телевизоров. Пока заказов было мало, организация снимала пару комнат, состояла из трех человек. Но вот поток заказов начал возрастать. Вначале организация каким-то образом выкручивалась, затем просто перестала справляться с потоком. Пришлось строить отдельное здание, нанимать новых людей, организовывать внутреннюю структуру организации более сложным образом. Здесь интенсивность потока заказов явилась аналогом потока энергии. Превышение критического значения этого потока привело к реорганизации системы и возникновению новой диссипативной структуры, более упорядоченной чем предыдущая.

Таблица 6.1.

Управляющие параметры в некоторых системах

Можно заметить, что во всех случаях перехода различных систем к новому устойчивому состоянию четко выделялся какой-либо параметр. Превышение критического значения этого параметра и приводило к формированию диссипативных структур и включению нового механизма диссипации энергии системы. Такой параметр называют управляющим параметромсистемы, то есть он управляет поведением системы в критических точках. В табл. 6.1 собраны управляющие параметры для всех рассмотренных нами диссипативных структур. Забегая немного вперед, скажем, что управляющим параметром эволюции конструкционных материалов является плотность дислокаций. Но об этом - в следующем разделе.

Для конструкционных материалов диссипация подводимой энергии позволяет противостоять явлению разрушения, которое аналогично явлению смерти для биологических систем. Подвод энергии к конструкционным материалам осуществляется в процессе их эксплуатации в виде различных нагрузок: сжатия, растяжения, изгиба, кручения, циклических нагрузок, совместного действия всех вышеперечисленных факторов. Эта энергия называется энергией деформации. Она носит потенциальный характер и приводит к деформации - изменению первоначальной формы и размеров образца материала. При этом также изменяются его прочностные свойства.

Лекция №5