Стрела времени и необратимость, возникновение хаоса из порядка и порядока из хаоса как следствие фундаментального детерминизма (стр. 7 из 11)

где: F - сила,

- перемещение, - давление, - изменение объема.

Наряду с выделенным направлением для энергии важнейшим моментом, который необходимо отметить, является время. Изменения и превращения энергии не происходят вне динамики процессов, следовательно протекают во времени. Всё это в равной степени относится и к термодинамике, в том числе и классической, где процессы только обозначены в статике. Параметр времени в неявной форме присутствует во всех математических формулировках связанных с превращениями энергии, а в выражении (3), отвечающем за динамику процессов энергопревращений, он присутствует в явном виде. Превращение одного вида энергии в другой происходит при обязательном совершении работы, т.е. совершается перемещение под действием или против действующих сил. Силы в системе возникают только при наличии

, т.е. если в системе есть неравновесность. Причем если перемещение возникает под действием сил, когда направление перемещения массы совпадает с направлением действующей силы, то происходит ускорение массы ( ) и увеличивается кинетическая энергия, а значит соответственно уменьшается потенциальная энергия системы. Такие процессы наблюдаются при адиабатном расширении рабочего тела в сопле, при движении маятника вниз, при разрядке конденсатора и увеличении тока в колебательном контуре. Если перемещение происходит против действующих в системе сил, то увеличивается потенциальная энергия и работа совершается за счет уменьшения кинетической энергии и в системе накапливается неравновесность. Такие процессы наблюдаются при адиабатном сжатии в диффузоре, при перемещении маятника вверх, при зарядке конденсатора в колебательном контуре. И еще отметим: когда говорят о взаимопревращении тепловой, химической, механической и других видах энергии имеется в виду сохранение и взаимопревращение кинетической и потенциальной энергий в различных физических явлениях (тепловых, химических, механических и др.).

Подводя итог отметим, что в макро среде (сплошной среде), являющейся совокупностью огромного (не счётного) числа корпускул, может формироваться только четыре вида макроскопических потоков энергии в зависимости от свойств среды и природы разности потенциалов:

гидродинамический поток, когда разность потенциалов вызвана перепадом давлений или высот. Частный случай звуковой поток, когда происходит объёмное сжатие упругой среды.

фононный тепловой поток, когда разность потенциалов вызвана перепадом температур.

поток заряженных частиц (электрический ток), вызванный разностью электрических потенциалов.

Электромагнитный фотонный поток частиц (частный случай лазер), вызванный разностью потенциалов различных уровней энергии в атоме.

Именно эти четыре вида потоков энергии лежат в основе всех многочисленных, в том числе и очень сложных диссипативных структур.

Вернемся к рассмотрению событий в неравновесных диссипативных средах под влиянием совместного действия механизмов самоорганизации и релаксации, совместного действия в многочастичной среде 2-го закона Ньютона и эффекта вырождения результирующего импульса. Неравновесность состояния диссипативной среды, согласно идей выдвинутых Брюссельской школой, служит источником упорядоченности. Это необходимое, но не достаточное условие возникновения кооперативного движения, возникновения потоков энергии Умова-Пойтинга с

. Необходимо также чтобы возникающий по причине неравновесности состояния системы поток тут же не рассеивался под действием причин релаксации. Выше уже отмечалось что как только в много частичной системе возник кооперативный поток, обладающий результирующим импульсом, то тут же начинает действовать механизм вырождения импульса, диссипирующий кооперативное движение. И теперь всё определяется мощностями этих двух прямо противоположных процессов, зависящих от состояния и свойств системы. Если мощность возникновения (производства) кооперативных потоков больше мощности процесса диссипации кооперативной энергии, то в системе наблюдаются кооперативные потоки, возникают потоки энергии Умова-Пойтинга, формируются диссипативные структуры. Если свойства системы по вырождению результирующего импульса таковы что превосходят по мощности возникающие кооперативные потоки, пропорциональные имеющейся в системе неравновесности, то в такой системе кооперативные потоки возникают в микро областях и тут же рассеиваются. В термодинамической системе в данной ситуации кооперативного движения не наблюдается, а идёт квазиравновесный процесс установления равновесия. Для возникновения кооперативного движения в диссипативной среде необходимо преодоление главного порогового соотношения. Мы назвали его диссипативным порогом.

где

- энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом и получаемая из потенциальной энергии неравновесности в единицу времени.

- максимальная энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом, которую данная много частичная система способна в единицу времени переводить в хаотическую форму под действием причин релаксации.

Величина главного порогового соотношения, величина диссипативного порога определяется максимальной мощностью процесса релаксации, максимальной мощностью диссипации кооперативной кинетической энергии и является свойством, параметром данной много частичной системы.

Именно главное пороговое соотношение, определяющее соотношение между мощностью процесса самоорганизации и мощностью процесса диссипации определяет направление событий, направление эволюции в неравновесной диссипативной среде:

а) при

- область линейной неравновесной термодинамики, когда мы говорим о локальном равновесии и не возникает потоков энергии с . В данной ситуации система под действием причин релаксации стремится к равновесию, к состоянию с и .

б) при

- область нелинейной, сильно неравновесной термодинамики. При этом условии возникают потоки энергии Умова-Пойтинга с , происходит формирование диссипативных структур и появляется возможность совершать макроскопическую работу. Причём для получения кооперативного движения вовсе не обязательно чтобы в каждый момент времени мощность процесса производства кооперативного движения была больше мощности процесса вырождения результирующего импульса. Необходимо чтобы за наблюдаемый промежуток времени образовалось больше кооперативной энергии чем её диссипировало.

где:

- мощность производства кооперативной энергии в неравновесной системе.

- это максимальная мощность кооперативной энергии, которую способна диссипировать данная термодинамическая система. Это важнейшая характеристика диссипативной системы.

Максимальная мощность диссипации кооперативной энергии – это характеристика присущая данной системе и зависящая от многих факторов (размеры системы, плотность частиц в системе, масса частиц, прочность связей между частицами, энергетическое состояние системы и её возможности по энергообмену с внешней средой и др.). Максимальная мощность процесса диссипации и есть тот порог не преодолев который не возможно в системе получить кооперативные потоки энергии, потоки Умова-Пойтинга, не возможно сформировать стабильную диссипативную структуру. Именно величина главного порогового соотношения, величина диссипативного порога присущая данной системе и определяет направление событий в данной системе.

Кстати наличие порогового соотношения качественно в термодинамике замечено уже достаточно давно. Так в (Л-7) автор пишет: "Таким образом, происходит своеобразное противоборство между процессами переноса, нарушающими равновесие, и внутренними (релаксационными) процессами, стремящимися его восстановить. В разреженном газе внутренние процессы - это процессы столкновения. Если процессы, возмущающие равновесие, менее интенсивны, чем процессы, которые его формируют, то можно говорить с определенной степенью точности о локальном равновесии в физически бесконечно малом объеме. Точность такого утверждения будет тем выше, чем меньше отношение скорости изменения состояния за счет внешних условий к скорости восстановления равновесия за счет внутренних релаксационных процессов. Подчеркнем, что существование локального равновесия еще не означает малости отклонения всей системы от равновесия". От себя добавим, что для возникновения потоков энергии Умова-Пойтинга, для формирования диссипативных структур вовсе не обязательно наличие общей сильной неравновесности системы. И процессы самоорганизации и процессы диссипации энергии зависят от многих причин, от них зависит и величина диссипативного порога главного порогового соотношения.