Свойства и примеры самоорганизации диссипативных структур

Сформулируем условия образования и свойства самоорганизующихся структур.

Система является термодинамически открытой, далёкой от равновесия.

Отклонение от равновесия превышает некоторые граничные (пороговые) значения

Самоорганизация происходит в результате экспорта энтропии во внешнюю среду и диссипации системой подводимой энергии

Макроскопические процессы самоорганизации происходят согласовано (кооперативно, когерентно)

Возникновение пространственного или времянного порядка аналогично фазовому переходу.

Переход в упорядоченное состояние диссипативной системы происходит в результате неустойчивости предыдущего упорядоченного состояния в точке бифуркации.

Самоорганизация происходит в результате флуктуациий до макроскопического уровня

Процессы происходят в таком режиме так, что для их описания необходимы нелинейные математические модели. Нелинейные связи переменных приводят к усилению малых возмущений

В точке бифуркации невозможно предсказать в каком направлении будет развиваться система, станет ли состояние хаотическим или она перейдёт на новый более высокий уровень упорядоченности.

Диссипативные структуры отличаются от равновесных тем, что для своего существования они требуют постоянного притока энергии извне, так как по определению, их самоорганизация связана с обменом энергией и веществом с окружающей средой.

Процесс перехода «устойчивость – неустойчивость – устойчивость» является следующим. Первоначально устойчивая диссипативная структура, достигая в процессе эволюции системы порога неустойчивости, начинает осциллировать, а возникающие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой, более устойчивой на данном иерархическом уровне диссипативной структуры.

Возникновение диссипативных структур связано со спонтанным нарушением симметрии и возникновением структур с более низкой степенью симметрии по сравнению с пространственно – однородным состоянием.

Рассмотрим в качестве примера самоорганизации неустойчивость Бенара, обнаруженную ещё в 1900г. Если горизонтальный слой вязкой жидкости сильно прогреть снизу, то возникает градиент температур. До некоторого значения градиента температур перенос тепла снизу вверх контролируется теплопроводностью и сохраняется стационарные состояния системы.

Однако при разности температур выше критической DT_K в жидкости появляется новый механизм переноса - конвекция. Холодная вода опускается вниз, а нагретая поднимается вверх. При этом жидкость спонтанно разделяется на гексагональные ячейки, напоминающие соты. Возникают новая диссипативная структура жидкости.

В химически неоднородных системах обнаружен специфический тип самоорганизации, приводящий к периодическому изменению концентрации реагирующих веществ, причём эти изменения могут происходить как во времени так и в пространстве.

Схема образования ячеек Бенара в вязкой жидкости (Рис.3): а) вид в разрезе; б) вид сверху.