Активні середовища. Автохвилі

Два основних класи необоротних процесів

Перший з двох основних класів необоротних процесів:

В ізольованих системахв околі рівноваги дисипація за рахунок виробництва ентропії dS_i> 0 за всіх умов знищує будь–які структури.

Ентропія володіє властивістю адитивності:dS = dS_i + dS₀

Для початку формування структур необхідноперевищення експорту ентропії над її внутрішнім виробництвом: |dS_e< 0| >dS_i

У близькому до рівноваги стані переважає dS_i, отож для процесів самоорганізації важливим є якнайдальший відхід системи від рівноважного стану.

Другий з двох основних класів необоротних процесів:

Виникнення структур у нелінійних сильно нерівноважних системах при особливих внутрішніх та зовнішніх умовах:

q Відкритість (можливість dS_e< 0)

q Віддаленість від положення рівноваги (можливість |dS_e< 0| >dS_i)

q Нелінійність (наявність варіантів для відбору)

q Зовнішні параметри мають надкритичні значення

Мікроскопічні процеси відбуваються кооперативно (когерентно) (за рахунок внутрішних зв’язків із зовнішним середовищем).

Активні середовища. Відкрита система – це система, яка обмінюється енергією з навколишнім середовищем. Існують властивості відкритих систем, що знаходяться далеко від рівноважного стану: вони є нестійкими і повернення до початкового стану є необов'язковим. В деякій точці, що називається біфуркацією (розгалуженням), поведінка системи стає неоднозначною.

За наявності нестійкості змінюється роль зовнішніх впливів. У певних умовах мізерно малий вплив на відкриту систему може призвести до значних непередбачуваних наслідків (розкриття нестійкості).

У відкритих системах, далеких від рівноваги, виникають ефекти узгодження, коли елементи системи корелюють свою поведінку на макроскопічних відстанях через макроскопічні інтервали часу. Така кооперативна, узгоджена поведінка характерна для систем різних типів: молекул, клітин, нейронів, окремих особин і т.д.

У результаті погодженої взаємодії відбуваються процеси впорядкування, виникнення з хаосу певних структур, їх перетворення й ускладнення. Чим більше відхилення від рівноваги, тим більше охоплення кореляціями та взаємозв'язками, тим вища узгодженість процесів, що протікають навіть у віддалених областях і, здавалося б, не пов'язаних один з одним. Самі процеси характеризують нелінійність, наявність зворотних зв'язків та пов'язані з цим можливості керуючого впливу на систему.

Принциповим є те, що при розгляді відкритих систем, зовнішні параметри відіграють роль регуляторів, за допомогою яких можна керувати процесами. Дуже суттєвим моментом є те, що енергетичні витрати на управління за допомогою цих регуляторів набагато менше, ніж потрібно для досягнення того ж ефекту в рівноважних умовах. Причому ефективність впливу залежитьвід ступеня нерівноважності системи.

Середовища, в яких виникають різні процеси, тобто системи далекі від стану теплової рівноваги, називають активними на відміну від пасивних середовищ. Активне середовище можна представити як мережу, утворену окремими активними елементами. Кожен елемент активного середовища може перебувати в одному з трьох станів: спокої, релаксації і збудженні. Всі елементи активного середовища пов'язані однією властивістю – перенесенням хвильових процесів, які проходять через середовище.

Перенесення здійснюється за рахунок "підкачки" енергії ззовні в елемент середовища.

Автохвилі. Автохвилі – самопідтримуючі хвилі в активних (що містять джерела енергії) середовищах. Термін в основному застосовується до процесів, де хвилею переноситься відносно мала частка енергії, необхідна для синхронізації або перемикання активного середовища. Найпростіша повсякденна модель автохвилі – ряд кісточок доміно, які послідовно падають, якщо штовхнути крайню.

Уявіть собі, що ви стали на поле і підпалюєте траву. Поки температура нижче порогового значення, трава не загоряється. При досягненні температури займання трава починає горіти, виділяючи при цьому дим. Якщо диму багато, то процес горіння сповільнюється, а на деяких ділянках припиняється взагалі. Коли дим розсіюється, трава знову набуває здатності займатися. У результаті утворюється фронт вогню, що біжить по полю. При цьому говорять, що виникла автохвиля, – один з результатів самоорганізації в термодинамічно активних нерівноважних системах. Це самопідтримуючий хвильовий процес, що існує в нелінійних середовищах, що містять розподілені джерела енергії. Період, довжина хвилі, швидкість розповсюдження, амплітуда і інші характеристики автохвиль визначаються виключно локальними властивостями середовища.

Крім руху фронту горіння до автохвильових процесів належать коливні хімічні реакції в активних середовищах (реакція Білоусова–Жаботинського), поширення імпульсу збудження нервового волокна, хвилі хімічної сигналізації в колоніях деяких мікроорганізмів, автохвилі в напівпровідникових плівках, популяційні автохвилі, поширення епідемій і генів, автохвиля послідовного падіння кісточок доміно і деякі інші явища.

Розглянемо двовимірне активне середовище, що складається з елементів, кожен з яких може перебувати в трьох різних станах: спокої, релаксації і збудженні. При відсутності зовнішнього впливу елемент знаходиться в стані спокою. В результаті впливу, коли концентрація активатора досягне граничного значення, елемент переходить в збуджений стан, набуваючи здатність порушувати сусідні елементи. Через деякий час після збудження елемент перемикається в стан релаксації, перебуваючи в якому він не може бути збуджений. Потім елемент сам повертається в початковий стан спокою, знову набуваючи здатність переходити у збуджений стан.

Дата добавления: 2015-05-08