Диссипативная структура и её характеристики

Диссипативная структура – важнейшее и относящееся к числу наиболее общих и сложных из понятий макромира. Достаточно сказать, что под это понятие подпадают турбулентность и ячейки Бенара, электрические токи и лазеры, все виды биологических и технических (например, автомобиль и компьютер) структур, производственные структуры. Без этого понятия невозможно объяснить и описать изменчивость и эволюцию окружающего макромира.

Мы уже выяснили, что диссипативная структура возникает в неравновесной многочастичной системе тогда, когда в этой системе или какой-то её локальной зоне формируются условия, при которых производство кооперативной энергии превосходит её диссипацию вызванную нецентральным соударением. Это достигается или увеличением неравновесности или снижением диссипативного порога, или и тем и другим одновременно. Увеличение неравновесности достигается увеличением какой-либо разности потенциалов, увеличением градиента потенциальной энергии, что приводит к увеличениею сил, действующих в неравновесной системе. Снижение диссипативного порога системы или какой-то её локальной зоны достигается созданием условий при которых ограничивается лавинообразное вовлечение массы (количества частиц) в результирующий импульс кооперативного движения. Это достигается или канализацией потока или централизацией соударения частиц, созданием условий для когерентного взаимодействия частиц. Вообще применительно к диссипативной структуре необходимо учитывать три мощности: это мощность кооперативных потоков энергии Умова- Пойтинга, она определяется количеством кинетической энергии проходящей через сечение потока в единицу времени, мощность производства кооперативных потоков энергии Умова-Пойтинга, этот процесс вызван основным законом динамики и мощность диссипации кооперативных потоков энергии Умова-Пойтинга, этот процесс вызван эффектом вырождения результирующего импульса в многочастичной среде.

Мощность процесса самоорганизации энергии зависит от величины неравновесности (определяющей величину силы действующей в системе, ) и условий в которых протекает процесс. Если при заданной температурной неравновесности тепло передается через тонкий стержень с плохой теплопроводностью, то это одна мощность теплового потока, если при той же температурной неравновесности тепло передается через большую, тонкую поверхность с хорошей теплопроводностью, то мощность теплового потока в последнем случае может быть на много порядков больше. Аналогичная ситуация возникает и при любой другой неравновесности. Скажем неравновесность по давлению можно срабатывать через одно сопло с малым проходным сечением, а можно через сколь угодное количество таких же сопел одновременно. Неравновесность по электрическому напряжению можно с малой мощностью срабатывать через большое электрическое сопротивление, а можно через короткое замыкание вызвать большие мощности.

Таким образом у нас имеется возможность управлять процессами самоорганизации и диссипации энергии и преодолевать в ту или другую сторону диссипативный порог, то есть создавать структуру или разрушать её. В связи с этим исключительно важным для существования диссипативной структуры во времени является соблюдение соотношения стабильности. Сложная диссипативная структура, например биоклетка, может состоять из совокупности подсистем или подпроцессов. Но тем не менее для каждой подсистемы сложной системы должны выполняться, с определенными допустимыми вариациями, соотношения стабильности (4). Процессы могут носить равномерный или циклический характер, приводящий то к накоплению неравновесности, то к ее срабатыванию. То к накоплению диссипированной энергии и энтропии, то к их сбросу в окружающую среду. Однако с поправкой на время соотношение стабильности должно для стабильно функционирующей структуры выполняться безукоризненно, в том числе и на период видоизменения (например деления клетки) диссипативной структуры. И сам разброс от соотношения стабильности имеет для каждой структуры свои границы, за пределами которых или новая бифуркация (вариант 2) или разрушение (вариант3). Следует отметить, что соотношение стабильности определяет соотношение энергетических потоков. Но если в связанных системах (кристалл) реализуются только потоки энергии, то в системе не связанных частиц энергопотоки сопровождаются и массовыми потоками, обеспечивающими скажем клетку строительным материалом для роста и размножения.

Соотношения стабильности (4) представляют собой согласованные в своем развитии во времени функции процессов составляющих структуру и зависящие не только от времени, но и многих управляющих параметров, от которых в свою очередь зависят мощности процессов преобразования неравновесности в корпоративное движение, диссипации кооперативного движения и отвода диссипированной энергии в окружающую среду. Таким образом соотношение стабильности отвечает на энергетическом уровне за согласованность всей совокупности процессов, обеспечивающих функционирование диссипативной структуры.

Изменение по каким-либо причинам управляющих параметров приводят к рассогласованности соотношений стабильности и диссипативная структура начинает развиваться по варианту 2) или 3) или обязана восстановить соотношения стабильности. При этом управляющие параметры могут влиять как на величину неравновесности системы, то есть на производство кооперативной энергии, так и на величину диссипативного порога, то есть на процесс диссипации кооперативной энергии.

Диссипативная структура представляет собой двуединую сущность, совокупность статической и динамической структур. Статическая структура обеспечивает выход неравновесной системы или её локальной части за диссипативный порог за счёт обеспечения канализации потока или за счёт обеспечения когерентного взаимодействия. А за диссипативным порогом формируются динамические структуры, потоки энергии, имеющие результирующий импульс отличный от нуля. Динамическая подструктура обеспечивает функциональные возможности дисипативной структуры, то есть работу против внешних сил и против внутренних сил трения, вызванных нецентральным соударением. Причём всё многообразие диссипативных структур образовано как уже отмечалось ранее четырьмя видами динамических структур, четырьмя видами потоков энергии.

Всякая диссипативная структура – это двигатель по преобразованию потенциальной энергии неравновесности (в том числе и тепловой) многочастичной системы в кооперативную энергию потоков (в механическую энергию, в работу на языке классической термодинамики). Всякой диссипативной структуре для существования, для выполнения функциональных возможностей необходима механическая энергия и она получается в самой структуре. Собственно производство кооперативной энергии и есть сама сущность диссипативной структуры. Если в системе создаются условия для преобразования неравновесности в кооперативные потоки, то есть система выходит за диссипативный порог, то начинается процесс преобразования тепла (потенциальной энергии неравновесности термодинамической системы) в работу (в кооперативную энергию потоков, в механическую энергию). Механизм преобразования тепла в работу лежит в основе формирования и существования диссипативных структур. Понятие диссипативная структура и процесс преобразования тепла (неравновесности) в работу связаны теснейшим образом. Рассмотрим это на нескольких примерах:

а) тепловые машины. Всякий двигатель, в том числе и тепловой, превращает потенциальную энергию неравновесности в кооперативную энергию потоков энергии. Причём это обязательно происходит за диссипативным порогом и в рамках соотношения стабильности (4). Если скажем в нарушение соотношения (4) на электростанции закончится топливо, то прекратится производство кооперативной энергии, в том числе по цепочке и электрической и остановятся электродвигатели потребителей. Структура разрушится. Этот простейший пример показывает единство принципов функционирования диссипативных структур и любых, в том числе и тепловых двигателей.

б) гидродинамические потоки. Такие диссипативные структуры как ламинарный и турбулентный потоки и ячейки Бенара являются ни чем иным как двигателями преобразующими в одном случае неравновесность по давлению в другом неравновесность по температуре в кооперативную (механическую) энергию гидропотоков. Причём если для случая допустим ячеек Бенара, при неизменном перепаде температур по сторонам слоя, увеличивать толщину слоя, то ситуация перейдёт в зону локального равновесия, производство потоков энергии Умова прекратится и структура разрушится. Подробнее о физике турбулентности и ячеек Бенара можно прочесть на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”.

в) биоклетка. Последовательность сменяющих друг друга экзотермических реакций окисления и эндотермических реакций синтеза создаёт в клетке неравновесность по температуре и давлению. Это приводит к возникновению гидродинамических потоков биологического раствора, что и обеспечивает метаболизм в клетке. Причём снижение диссипации кооперативной энергии в клетке и вывод ситуации за диссипативный порог обеспечивается канализацией потока в эндоплазматической сети. В каждой клетке действует биологический двигатель внутреннего сгорания, обеспечивающий функциональные возможности клетки. Скажем, окислительные реакции, протекающие в митохондриях клетки или реакции цикла Кребса, в которых высвобождается и запасается большая часть энергии, по праву получили название – энергетический котёл. В митохондриях локализованы и ферменты, катализирующие окислительные реакции. Энергетический котёл митохондрий соответствует котельным установкам или камерам сгорания технических устройств. Подробнее о биодинамике клетки можно прочесть на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”.

В связи с описанными примерами логично встаёт вопрос о компенсации за преобразование тепла в работу, понятии являющемся одним из краеугольных камней термодинамики. Неравновесность (потенциальная составляющая внутренней энергии тепловой системы) преобразуется в кооперативную энергию (механическую работу) благодаря действию основного закона динамики, а компенсация за преобразование тепла в работу вытекает из этого процесса как следствие и вызвана процессами диссипации, действием эффекта вырождения результирующего импульса.

Компенсация за преобразование тепла в работу вытекает из неравновесности многочастичной системы. Неравновесность приводит в действие основной закон динамики, который преобразовывает потенциальную энергию системы в кооперативную энергию потока, совершая при этом работу по преобразованию потенциальной энергии в кинетическую (в механическую работу, в техническую работу по терминологии классической термодинамики). Корпускулярный характер системы, в которой развиваются выше описанные события вызывает к действию эффект вырождения возникшего результирующего импульса, приводящий к частичной или полной диссипации произведённой кооперативной энергии. Диссипация возникающей кооперативной энергии и есть компенсация за преобразование тепла в работу. Она может быть полной, если процессы протекают в зоне локального равновесия, может быть частичной, если процессы протекают за диссипативным порогом. А может и стремиться к нулю, если стремить к нулю диссипативный порог неравновесной системы, в которой происходит преобразование потенциальной энергии неравновесности в кооперативную энергию потоков. Эта компенсация свойственна всем без исключения диссипативным структурам, так как свойство производства кооперативных потоков – главное свойство диссипативных структур. Это в равной степени относится и к сегодняшним техническим устройствам, к тепловым двигателям. Но для сегодняшних тепловых двигателей это только часть компенсации за преобразование тепла в работу, причём меньшая её часть.

Не нужно путать компенсацию за преобразование потенциальной энергии неравновесности в кооперативную энергию, вызванную нецентральным соударением, с компенсацией в тепловых машинах работающих с термическим КПД всегда меньшим единицы. Это совершенно разные понятия и явления. Даже когда в классической равновесной термодинамике мы рассматриваем идеальные обратимые процессы, идущие без трения, то и здесь имеем термический КПД меньший единицы, достигающий максимума в идеальных циклах Карно. Термический КПД не имеет никакого отношения к диссипации, к универсальным механизмам преобразования неравновесности термодинамических систем в кооперативную энергию. Термический КПД вызван необходимостью затраты механической энергии на работу по проталкиванию рабочего тела в атмосферу, на работу по расширению атмосферы, на работу против сил гравитации.

Компенсация за преобразование тепла в работу в современных тепловых машинах складывается из двух составляющих:

1) Первая составляющая, вызванная эффектом вырождения импульса или по попросту трением. Её доля в современных тепловых машинах определяется как произведение трёх КПД: внутреннего относительного КПД проточной части, электромеханического КПД и КПД потерь теплового потока через поверхности. Эта совокупная доля – малая величина, которую можно стремить к нулю, снижая диссипативный порог системы. Примером резкого снижения компенсации данного вида может служить конструкция термоэлектрического преобразователя на основе нанотехнологий. Внутреннее электрическое сопротивление данного преобразователя, а стало быть и диссипативный порог снижены в миллионы раз в сравнении с ныне действующими. Подробно о термоэлектрическом преобразователе принципиально новой конструкции можно подробно прочесть на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”.

2) Вторая составляющая вызвана необходимостью производства работы по расширению атмосферы, работы против сил гравитации. Её доля определяется термическим КПД цикла, эталоном которого является КПД Карно. Это львиная доля потерь современных тепловых машин. В классической термодинамике под компенсацией за преобразование тепла в работу понимается именно вторая составляющая. К понятию компенсации в классической термодинамике пришли на основании анализа идеальных обратимых циклов, в первую очередь цикла Карно, в которых диссипация (трение) отсутствуют по определению. Подробно эта тема развита на на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”. В статье не только показана природа и причины этих потерь, но и показаны способы их резкого сокращения.