Обратимые и необратимые процессы

В физике (термодинамике) вводится понятие энтропии, как меры беспорядка в системе (вернее, меры необратимого рассеяния энергии) -нем. физик Э. Клаузиус, 1865 г..

Произвольно идущие процессы протекают в направлении увеличения энтропии, т.е. беспорядка в системе (точнее говорить о вероятности направления протекания процесса).

Может ли воздух собраться «сам» в одной половине сосуда? Конечно, нет (точнее, может, но при Р= 5•10^-22).

Необратимые процессы: могут самопроизвольно протекать только в одном направлении и сопровождаются возрастанием энтрапии.

К ним относятся:

• диффузия,

• теплопроводность,

• термодиффузия,

• вязкое течение (газа, жидкости),

при которых происходит

• направленный пространственный перенос вещества (диффузия, термодиффузия),

• теплоты (теплопроводность),

• импульса (вязкое течение).

В открытых системах (которые могут обмениваться энергией или веществом с окружающей средой) при необратимых процессах энтрапия может оставаться постоянной или даже убывать за счет обмена энтропией с внешней средой. Однако производство энтропии (её возрастание в системе в единицу времени) остается положительным.

Вопрос: Что такое обратимый процесс?

Обратимый процесс: процесс перехода системы из одного состояния в другое, допускающий возвращение её в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимых в обратном порядке.

Процесс обратим, если он протекает столь медленно, что его можно рассматривать как непрерывный ряд равновесных состояний.

44. Самоорганизация материи. Неравновесные процессы и открытые системы.

Примеры

1. Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли - под действием солнечного излучения: - самоорганизация на Земле.

Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс в масштабах полушария или всего земного шара, приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере.

Главной причиной возникновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Таким образом, солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли.

Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли: это пример самоорганизации на Земле.

2. 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.

3. Самоорганизация в химии - химическая реакция Белоусова-Жаботинского : химическая реакция, в которой возникают хаотические автоколебательные процессы. В настоящее время найдены многие реакции с таким свойством.

В 1951 Б. П. Белоусов обнаружил автоколебания в реакции окисления бромата калия КBrO₃ малоновой кислотой HOOC-CH₂-COOH в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce⁺³.

Течение реакции меняется со временем и раствор периодически меняет цвет от бесцветного (Ce⁺³) к жёлтому (Ce⁺⁴) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора pH ферроина. Наиболее эффектно выглядит колба, если заменить ионы церия ионами железа Fе²⁺. Тогда раствор в колбе может часами со строгой периодичностью изменять цвет во всем видимом диапазоне от рубиново-красного до небесно-голубого.

В 1969 Жаботинский (аспирант Белоусова) с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов.

Таким образом, имеется автоколебательный процесс изменения концентрации четырехвалентного церия с одновременным варьированием цвета

На поверхности раствора появляются поверхностные волны (химические спиральные волны)

4. Динамика популяций хищников и их жертв - самоорганизация в биологии.

Перенесемся теперь из мира атомов в макромир и попробуем предсказать соотношение числа волков и зайцев в некотором гипотетическом заповеднике, где на огражденной территории живут только эти представители фауны, а флоры пусть будет много. Поскольку волки хищники, то могут в данном заповеднике питаться только зайцами, а жертвы - зайцы питаются только травкой.

В конечном счете, нас интересует - будет ли такое экологическое сообщество устойчиво сосуществовать в заповеднике.

Экспериментальные данные, полученные в реальной многокомпонентной и открытой среде с множеством неучтенных взаимодействий, указывают на факт наличия устойчивых колебаний популяций.

Неравновесные процессы с возникновением в системах упорядоченных (диссипативных) структур.

Самоорганизация не связана с особым классом веществ, но она существует лишь в специальных системах, удовлетворяющих условиям:

а) открытые системы, т.е. открытые для притока энергии (вещества) извне;

б) макроскопические системы, т.е. системы описываются нелинейными уравнениями.

Следует также отметить, что диссипативные структуры являются устойчивыми образованиями, и их устойчивость определяется устойчивостью внешнего источника энергии.

В природе существуют и иные упорядоченные структуры, которые возникают в диссипативных системах. Диссипативная система является подсистемой больших неравновесных термодинамических систем.

45. Самоорганизация материи. Устойчивость и неустойчивость.

Неравновесная термодинамика связала пороговый характер с неустойчивостью, показав, что новая структура всегда является результатом раскрытия неустойчивости в результате флуктуаций*.

*Флуктуации – случайные отклонения физических величин от их средних значений.

Можно сказать о "порядке через флуктуации".

С математической точки зрения, неустойчивость и пороговый характер самоорганизации связаны с нелинейностью.

Таким образом, пороговый характер самоорганизации связан с переходом из одного стационарного состояния в другое.

Потеря системой устойчивости называется катастрофой. Точнее, катастрофа - это скачкообразное изменение, возникающее при плавном изменении внешних условий.

Математическая теория, анализирующая поведение нелинейных динамических систем* при изменении их параметров, называется теорией катастроф.

*Нелинейные системы – колебательные системы, свойства которых зависят от происходящих в них процессов.

Теория катастроф определяет область существования различных структур, границы их устойчивости.

Для изучения динамики* систем необходимо знать, каким именно образом новые решения уравнений "ответвляются" от известного решения.

46. Самоорганизация материи. Критические состояния. Ответ на такие вопросы дает теория бифуркаций (разветвлений), то есть возникновения нового решения при критическом значении параметра. Момент перехода (катастрофический скачок) зависит от свойств системы и уровня флуктуаций.

Возникновение нового качества происходит на основании усиления малых случайных движений элементов – флуктуаций.

Это в частности объясняет тот факт, что в момент бифуркации состояния системы возможно не одно, а множество вариантов структурного преобразования и дальнейшего развития объекта.

Таким образом, сама природа ограничивает наши возможности точного прогнозирования развития, оставляя, тем не менее, возможности важных качественных заключений.

В сложных системах параметр (характеристика или свойство системы) X может изменяться под действием управляющего (или возмущающего) параметра .

47. Самоорганизация материи. Бифуркации. Асимметрия.

теория бифуркаций (разветвлений), то есть возникновения нового решения при критическом значении параметра. Момент перехода (катастрофический скачок) зависит от свойств системы и уровня флуктуаций. Переход к новому состоянию при _кр под действием флуктуации называется явлением бифуркации.

48. Эволюция представлений о процессе зарождения жизни.

В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие гипотезы:

• Гипотеза стационарного состояния жизни

• Гипотеза самозарождения

• Гипотеза «первичного бульона»