В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Термодинамика имеет ограничения на масштабы рассматриваемых явлений как снизу, так и сверху. Законы классической термодинамики неприменимы к микросистемам, размеры которых сравнимы с размерами молекул. С другой стороны, верхняя применимость законов термодинамики определяется галактическими размерами„при которых определяющую роль играют гравитационные силы.
Неправомерное использование второго начала термодинамики для рассмотрония процессов во Вселенной привело к созданию теории «тепловой смерти» Вселенной. Согласно этой теории Вселенная рано или поздно придет в состояние термодинамического равновесия, при котором все процессы прекратятся и мир погрузится в состояние ятепловой смерти». Клаузиус писал: «Энергия мира остается постоянной, энтропия мира стремится к максимуму».
С точки зрения современной физики Вселенная представляет собой расширягощуюся систему, т. е. нестационарпую систему, поэтому законы термодинамики не могут быть к ней применены. Классическая термодинамика изучает равновесные или квазиравновесные процессы, т. е. процессы, протекающие бесконечно медленно.
Таким образом, классическая термодинамика является по сути термостатикой, и она не может решать вопросы, связанные с определением скорости или времени протекания термодипамических процессов. Перейдем к краткому рассмотрению основных положений нелинейной неравновесной термодинамики. В ней уже рассматриваются системы, находящиеся в состоянии, далеком от термодипамического равновесия.
Термодинамические параметры, такие как давление Р, .температура Т уже нс являются характеристиками всей системы, а могут меняться в различных частях системы и во времени 1: Р=Р(х,у,в,1), Т=Т(х,гг.в.1). Состояние системы называется стационарным, если термодинамические параметры не зависят от времени. В стационарном состоянии в системе существуют потоки, обусловливающие пространственное распределение термодинамических параметров. В отличие от термостатики в современной термодинамике законы выражаются в дифференциальной (локальной) форме. 1'л. 17. Основные нонне~но внолоеии 367 Дифференциальная форма первого закона определяет, что с1Е скорость изменения плотности энергии е = — ' (где Š— энергия ЫИ системы, И ее объем) в каждой точке системы равна дивергенции плотности потока энергии у = ее (е скорость потока), взятой с обратным знаком: Не — = — сйг 7.
~11 Термодинамические процессы в неравновесных системах происходят так, что в каждой точке системы скорость производства с1Я плотности энтропии а = — больше нуля: сЛI Изменение плотности энтропии определяется не только производством плотности энтропии, по и потоками плотности энтропии, поэтому второе начало термодинамики в дифференциальной форме имеет вид — = — Жо7е+ 1 где 7„= ве — плотность потока энтропии. Знак о1г7', может быть /~1в'| как положительным, так и отрицательным, но знак ~ — ~ всегда ), 11~, положительный, что указывает на конечность скорости термодинамических процессов.
Скорость производства плотности энтропии выРажаетсЯ чеРез плотность потока 1в и теРмоДинамическую силу Хь следующим образом: — = 7,Х„. В замкнутых термодинамических системах энтропия стремится к максимальному значению, при этом скорость изменения энтропии стремится к нулю. Эти соотношения определяют эволюцию замкнутых систем. Пригожин показал, что в рамках линейной термодинамики (в линейной термодинамике термодинамические потоки линейно свЯзаны с тсРмоДинамическими силами 1, = ~ 1 ыХ1, гДе 1.ы— дл. 17. Ооноеньн понятия экологии кинетические коэффициенты) термодинамическая система эволюционирует к состоянию с наименьшей из возможных в данных условиях скоростью производства энтропии. Таким образом, термодинамическая система стремится к стационарному, по не равновесному состоянию.
Эволюционный критерий открытой системы, таким образом, отличается от эволюционного критерия замкнутой системы. Природные системы характеризуются значительным отклонением от равновесного состояния. Только в этих условиях может выполняться условие превышения экспорта энтропии над ее производством. Образование структур в системе начинается после того, как отвод энтропии превысит некоторое критическое значение. Отвод энтропии в системе происходит под действием так называемого «энтропийного насоса». Энтропийные насосы могут быть расположены как внутри, так и вне системы. 11ассивные структурообразующие системы связаны со средой, в которой находятся энтропийные насосы. Активные структурообразующие системы содержат энтропийные насосы внутри себя.
При достижении определенных критических значений внешних параметров система может переходить в качественно новое состояние. Это новое состояние характеризуется более высоким уровнем самоорганизации, возникновением в системе макроскопических структур, которые называются диссипативными структурами. Простейшим типом диссипативных структур являются стационарные диссипативные структуры, не изменяющиеся во времени, для которых при постоянных внешних условиях 4Я =дЯ,+ь1Я; =О, дЯ, = — г1Я; ( О.
Система отдает энтропию, чтобы компенсировать ее производство внутри системы. Постоянный экспорт энтропии является необходимым термодинамическим условием самоорганизации. Начало процесса самоорганизации обусловливается неустойчивостью того или иного вида. Макроскопические структуры формируются при усилении микроскопических флуктуаций. Термодинамические неустойчивости играли важную роль на ранних этапах эволюции Земли. Развитие неустойчивости обусловливается тем, что пространственно структурированная конфигурация энергетически более выгодна, чем однородное распределение. Система является неустойчивой, .если она обладает возможностью к оптимизации термодинамического состояния, например путем разделения на 1"л.! 7.
Основные понлпшл эхологии 369 фазы. Развитие неустойчивости и формирование структур часто наблюдаются в гидродинамических системах, которые получают энергию от внешних источников и находятся вдали от состояния равновесия. Хорошо известными примерами таких гидродинамических систем являются, например, течения, возникающие между вращающимися цилиндрами, или структура течений, возникающих при обтекании цилиндра потоком жидкости. В последнем дг случае в зависимости от числа Рейнольдса 7Ге = — (И .— диаметр цилиндра, о скорость, и кинематический коэффициент вязкости) структура течения меняется от стационарного, осесимметричного, безотрывного к стационарному неосесимметричному, далее к нестационарному, периодическому и, наконец, к турбулентному.
Для нелинейных динамических систем характерно наличие критических управляющих параметров процесса, при превышении которых поведение системы резко изменяется. Например, в случае конвекции от тепловых источников управляющим параметром является мощность нагревателя. Для точечного источника тепла при докритических значениях подводимой мощности вокруг нагревателя образуется слой прогретой жидкости с незначительными градиентами температуры и плотности [148]. Эта область излучает линейную диссипативно-гравитационную волну.
При увеличении мощности теплового излучения растет скорость индуцированного течения. При превышении критического значения мощности происходит резкое изменение структуры конвективного течения над нагревателем формируется всплывающая струя, вокруг которой возникает купол погружающейся жидкости. Чишю конвективных слоев или ячеек, образующихся при формировании конвективного движения от точечного источника, зависит от подводимой мощности. Реализуется набор критических значений мощности, при превышении которых число конвективных ячеек увеличивается на единицу. При достижении определенных критических значений внешних параметров система может переходить в качественно новое состояние. Это новое состояние характеризуется более высоким уровнем самоорганизации, возникновением в системе макроскопических структур, которые называкггся диссипативными структурами.
Переход системы в новое состояние происходит скачком при некоторых критических значениях параметров. Принципиально важно, что система меняет свое состояние вероятностным образом. Диаграмма зависимости скорости производства энтропии от термодинамической силы состоит из двух областей рл.
17. Ооноеньн понятия экологии 370 Рис. 17.8. Универсальная диаграмма эволюции системы: ! - область термодинамических сил, при которых производство энтропии обеспечивается поведением элементов системы; !! область существования диссипативных структур, где производство энтропии обеспечивается макроскопическими процессами (рис. 17.8). В первой области, где скорость производства энтропии обеспечивается хаотическим поведением частиц, составляющих систему, поведение термодинамической системы описывается линейной термодинамикой.
Во второй области, в которой существуют дисснпативныс структуры, и производство энтропии обеспечивается макроскопическими процессами, поведение системы уже описывается нелинейной термодинамикой. Такой переход от одного режима производства энтропии к другому имеет место, например, при смене ламинарного движения на турбулентное или при образовании конвективных ячеек Бенара в жидкости в случае увеличения градиента температуры. Классическим примером диссипативных структур являются циркуляционные ячейки Бенара.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
