конспект лекций, вопросы к экзамену

Самоорганизация в открытых системах: конвекция Бенара + любой другой пример.

Самоорганизация - это переход из хаоса в порядок - самоупорядочение. Для того, чтобы самоорганизация возникла, нужно несколько условий:

  1. Нужна система.(Обязательно открытая) Открытая система находится в постоянном взаимодействии и обмене с внешней средой, от которой зависит ее функционирование. Она способна приспосабливаться к изменившимся внешним условиям своего существования, изменяя свою структуру. Например, в ячейках Бенара мы нагреваем жидкость (это условие) - и только тогда образуются ячейки.(смена структуры)

  2. Самоорганизация происходит,когда элементы обладают способностью взаимодействия. Возникает самоорганизация не только в живых системах, но и, например, в социальных: поведение толпы, пробки на дорогах, и прочие случайные процессы - это пример социальной самоорганизации.

  3. Система должна быть сложной, а связей между элементами должно быть много. (Иначе не будет совершаться переход от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям, как следствие - не будет самоорганизации).

  4. В системе должен быть хаос - причем хаос не мгновенный, не взрыв - а длительный и беспорядочный процесс.

Примеры самоорганизации:

Конвекция Бенара - Конвекция ( «перенесение») — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

Сам опыт. Самый простой пример самоорганизации мы можем наблюдать дома - для этого нам понадобится минеральное масло,сковородка с гладким дном и высокая температура на плите. Дальнейшие действия: наливаем масло на сковороду, нагреваем ее и смотрим, как в  ней образуются ячейки шестиугольной формы. Тоже самое происходит,если подогреть в кастрюле какао: на его поверхности образуется тонкая пленка, в которой видны ячейки 6-ти угольной формы. Возникают ячейки Бенара в слое вязкой жидкости, подогреваемой снизу. При большой разности температур более тонкая и потому легкая жидкость снизу стремится поменяться местами с более холодной поверхностью. Эта гравитационная неустойчивость приводит к формированию конвективных ячеек.

Реакция Белоусова-Жаботинского класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.  В конце концов смена цвета прекращается из-за выделения диоксида углерода.

Работа лазера мощный узконаправленный пучок света. Рабочей средой твердотельного лазера является рубиновый стержень, на концах которого устанавливаются два качественных зеркала (резонатор). С помощью мощной лампы накачки атомы рубина приходят в возбужденное состояние и начинают излучать. Вначале их излучение является хаотическим, независимым друг от друга, и лазер работает как обычная лампа. Но при определенном (критическом) значении мощности накачки происходит скачкообразный переход работы лазера от хаотического излучения к самосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным, т.е. упорядоченным.

 

Если вдруг нужна  совсем научная версия

Самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.

Самоорганизующиеся системы должны отвечать определенным требованиям:

1) они должны быть неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия;

2) они должны быть открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне.

3) Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Конвективная неустойчивость, или неустойчивость Бенара. Слой жидкости подогревается снизу, а сверху температура поддерживается постоянной. При малой разности температур теплота переносится благодаря теплопроводности и жидкость остается в покое. Когда температурный градиент достигает некоторого критического значения, в жидкости начинается макроскопическое движение. Так как нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и опускаются снова на дно. Это движение происходит упорядоченно. При этом формируются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки. Таким образом, из однородного состояния возникает упорядоченная пространственная структура. Более того, при еще большем увеличении температурного градиента возникает новое явление — в цилиндрах начинается волновое движение вдоль их осей.

Реакция Белоусова-Жаботинского. Химические часы. Самоорганизация в химических системах связана с поступлением извне новых веществ, которые обеспечивают продолжение реакции, и выведением в окружающую среду отработанных. Такие реакции были получены в 50-х годах 20-го века советскими учеными Борисом. Белоусовым и Анатолием. Жаботинским.

Суть реакции Белоусова - Жаботинского состоит в окислении органической кислоты бромидом калия. При добавлении индикатора окислительно-восстановительных реакций (ферроина) можно наблюдать за ходом реакции по периодическому изменению цвета раствора. Внешне самоорганизация проявляется появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора с синего на красный и наоборот. Этот колебательный процесс идет без всякого вмешательства извне в течение нескольких десятков минут и получил название «химических часов».

Генерация лазерного излучения считается примером временной самоорганизации Лазер непрерывного действия - сильно неравновесная открытая система, образованная возбужденными частицами (атомами, молекулами) и модами электромагн. поля в резонаторе. Неравновесность этой системы поддерживается непрерывным притоком энергии от внеш. некогерентного источника (накачкой). При малых интенсивностях накачки излучение системы состоит из не сфазированных между собой цугов волн. С повышением интенсивности накачки вплоть до некоторой пороговой величины излучение системы становится когерентным, т.е. представляет собой непрерывный волновой цуг, в котором фазы волн жестко скоррелированы на макроскопич. расстояниях от излучателя. Этот переход к генерации когерентных колебаний можно интерпретировать как самоорганизация.

24.12.2019; 08:00
просмотров: 77