Ячейки Бенара

Классическим примером возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара. В 1900 году была опубликована статья Х.Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Ячейки Бенара:

а) - общий вид структуры

б) - отдельная ячейка.

Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (или другой вязкой жидкости) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейки Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается. Возникает разность температур Т между нижней и верхней поверхностью DТ = Т₂ - Т₁ > 0.Для малых до критических разностей DТ < DТ_kp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности. При достижении температуры подогрева критического значения Т₂ = Т_kp(соответственно DТ = DТ_kp) начинается конвекция. При достижении критического значения параметра Т, рождается, таким образом, пространственная диссипативная структура. При равновесии температуры равны Т₂=Т₁, DТ = 0. При кратковременном подогреве (подводе тепла) нижней плоскости, то есть при кратковременном внешнем возмущении температура быстро станет однородной и равной ее первоначальному значению. Возмущение затухает, а состояние - асимптотически устойчиво.

При длительном, но до критическом подогреве (DТ < DТ_kp) в системе снова установится простое и единственное состояние, в котором происходит перенос к верхней поверхности и передачи его во внешнюю среду (теплопроводность), рис. 2.8, участок а. Отличие этого состояния от равновесного состояния состоит в том, что температура, плотность, давление станут неоднородными. Они будут приблизительно линейно изменяться от теплой области к холодной.

Рис. 2.8. Поток тепла в тонком слое жидкости.

Увеличение разности температур DТ, то есть дальнейшее отклонение системы от равновесия, приводит к тому, что состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым участок б на рисунке 2.8. Это состояние сменяется устойчивым состоянием (участок в на рис. 2.8), характеризующимся образованием ячеек. При больших разностях температур покоящаяся жидкость не обеспечивает большой перенос тепла, жидкость ²вынуждена² двигаться, причем кооперативным коллективным согласованном образом.

Дата добавления: 2015-05-09