Вход

Открытые и закрытые системы. Активная и пассивная среда

Реферат по физике
Дата добавления: 04 мая 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 140 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Открытые и закрытые системы . Активная и пассивная ср еда Открытая система - это сист ема обменивающаяся веществом и энергией с о кружающей средой . Сущес твует свойства открытых систем , находящихся в дали от равновесного состояния : они оказывают ся неустойчивыми и возврат к начальному с остоянию является необязательным . В некоторой точке , называемой бифуркацией (разветвлением ), пове дени е системы становится неоднозначным . При наличии неустойчивости из меняется роль внешних воздействий . В определе нных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значит ельным непредсказуемым последствиям (раскрытие не устойчивости ) . В открытых системах , далеких от равнов есия , возникают эффекты согласования , когда эл ементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопиче ские интервалы времени . Такое кооперативное , с огласованное поведение характер но для сис тем различных типов : молекул , клеток , нейронов , отдельных особей и т.д . В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения , возникновения из хаоса определенных структур , их преобраз ования и усложнения . Чем больше отклоне ние от равновесия , тем больший охват корреляциями и взаимосвязями , тем выше со гласованность процессов , даже протекающих в о тдаленных областях и , казалось бы , не связ анных друг с другом . Сами процессы характе ризует нелинейность , наличие обратных связей и с в язанные с этим возможности управляющего воздействия на систему . Теория состояний , далеких от равновесия , возникла в результате синтеза трех направл ений исследований : 1. Разработка методов описания существенно неравновесных процессов на основе статистичес кой физики . В рамках этого направления создаются кинетические модели , о пределяются параметры , необходимые для описания , выявляются корреляции , крупномасштабные флуктуации , устанавливаются закономерности перехода в с остояние равновесия . 2. Разработка термо динамики открытых систем , изучение стационарных состояний , сохраняющих устойчивость в определен ном диапазоне внешних условий , поиск условий самоорганизации , т . е . возникновения упорядоче нных структур из неупорядоченных . Было показа но , что процессы диссипа ц ии энерги и являются необходимым условием самоорганизации , поэтому возникающие структуры получили назв ание диссипативных . Г.Хакен предложил называть эту область исследований синергетикой (от г реческого “синергетикос” - совместный , согласованно действующий ). 3. Определение качественны х изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений , определяющих состояния далекие от равновесия , в зависимости от входящих пар аметров . Этот раздел математики получил назва ние теории катастроф . С ее помощью описыва ются ка чественные перестройки общей струк туры решений - катастрофы , определяются границы устойчивости и изменения структуры состояний . Синтез эт их трех направлений дал новую область зна ний занимающуюся описанием состояний , далеких от равновесия . С ее помощью уда лось сформулировать общий подход к целой совоку пности явлений природы и общества . Ее назы вают по - разному : синергетика , теория открытых систем , теория диссипативных структур , термод инамика необратимых процессов . Есть названия , связанные со свойствами неус т ойчивост и , нелинейности . Исходным пунктом для данной области исследований явилась классическая кинети ка процессов в газах , начатая работами Дж. Максвелла и Л.Больцмана . Затем произошло расши рение области исследования на слабонеравновесные системы в различ ных средах и усл овиях . С 1950 года началось широкое изучение систем , находящихся далеко от состояния равно весия из-за действия сильных полей и жестк их излучений различной природы . На сцену в ышел качественно новый фактор - квантованность энергетических сос т ояний молекул . Р анее , по существу , рассматривалось только пост упательное движение бесструктурных частиц . При сильном отклонении от равновесного состояния возбуждение охватывает различные степени свобо ды молекул - вращательные , колебательные , электронн ые . В озникает необходимость детального учета квантовой структуры вещества . В эти х условиях частицы уже нельзя считать бес структурными , а нужно рассматривать их эволюц ию в фазовом пространстве многих степеней свободы . Свойства атомов и молекул в различных энерг етических состояниях ра зличны . За счет неравновесных процессов проис ходит быстрое перераспределение заселенностей по большому числу термов и неизвестно какой из них окажется в данной конкретной системе наиболее реакционноспособным . Поэтому реа кция существ е нно неравновесной систем ы на внешнее воздействие может быть неожи данной . Примером может служить диссоциация мн огоатомных молекул (ангармонических осцилляторов ) при охлаждении газа в условиях накачки эн ергии . Этот эффект использовался для получени я свободн ы х атомов при низких температурах , что сыграло существенную роль в разработке химических лазеров . Другим при мером нетривиального поведения существенно нерав новесной системы является кратковременное охлажд ение углекислого газа при резонансном поглоще нии изл у чения молекулой CО 2 . В данном случае принципиально то , что при рассмотрении открытых систем , внешние параметры играют роль регуляторов , с помощь ю которых можно управлять процессами . Очень существенным моментом является то , что энер гетические затраты на уп равление с по мощью этих регуляторов намного меньше , чем требуется для достижения того же эффекта в равновесных условиях . Причем эффективность воздействия зависит от степени неравновесности системы . В ряде случаев элементы системы начин ают действовать в не равновесных условиях согласованно , обнаруживая свойства , не присущ ие отдельной частице . Эти общие свойства п олучили название когерентных или кооперативных свойств . При приближении системы к состояни ю равновесия сначала разрушаются когерентные связи , а зат е м уже связи , опред еляемые энергетическими заселенностями . Когерентность определяется возникновением корреляций (взаимосв язей и взаимозависимостей ) между частицами . Ма тематически это выражается необходимостью рассмо трения функции распределения не одной час т ицы , а нескольких взаимодействующих . Н.Н.Боголюбов разработал единый подход рассмо трения всей совокупности функций распределения - цепочек уравнений для последовательных функци й увеличивающегося числа взаимодействующих части ц . Этот метод назван цепочками Б БГКИ , по имени ученых , внесших основной вк лад в их разработку : Н.Н.Боголюбов , М.Борн , Х. Грин , И.Кирквуд , И . Ивон . Так функция n переме нных f n ( ,х 2 , ... х n-1 ,t) учитывает корр еляции n частиц . Если масштаб корреляции уменьш ается и взаимодействуют только n-1 частиц , то переходят к f n-1 (х 1 ,х 2 , ... х n-1 ,t) функции . При сглаживании неравновесн ости (переходе к состоянию равновесия ) корреля ции разрушаются , сокращается набор функций , не обходимых для описания поведения системы , а сами функции зависят от все мень ше го числа частиц . В пределе остаются лишь одночастичные функции распределения , уравнения которых составляют основу обычной кинетики . Метод цепочек ББГКИ имел исключительно большое значение в неравновесной статистическо й физике . Это был , по существу , новы й подход к проблеме необратимости . В замкнутой системе уравнения динамики (класси ческой или квантовой ) обратимы , т . е . замена t на -t их не меняет . При обрыве цепочки , когда нарушается корреляция высших порядков , возникает необратимость . В этом случае ч ет к о видна причина необратимости . Разрушение корреляции может быть вызвано внеш ним воздействием . Но чем больше и упорядоч енной система , тем выше масштаб корреляций . Это означает , что они действуют между б ольшим числом частиц , на больших расстояниях и в течен и е большого промежу тка времени . Следовательно , нужно меньшее возд ействие для нарушения такой сложной корреляци и . А так как абсолютно изолированных систе м нет , то необратимость нашего мира заложе на в природе вещей в силу всеобщей св язи . В случае изо л ированных (за крытых ) систем , в которых нет никаких обме нов с внешней средой , необратимость выражена знаменитым вторым законом термодинамики , в соответствии с которым существует функция переменных состояния системы , изменяющаяся моното нно в процессе прибли ж ения к состоянию термодинамического равновесия . Обычно в качестве такой функции состояния выбирается энтропия , и второе начало формулируется т ак : "производная энтропии по времени не от рицательна ". Традиционно это утверждение интерпрет ируется как "тенденци я к возрастанию разупорядоченности " или как “ производство энтропии ” . В случае не изолированных систем , которые обмениваются с внешней средой энергией или веществом , измене ние энтропии будет обусловлено процессами вну три системы (производство энтропии ) и обм енами с внешней средой (поток энтропии ). Если производство энтропии в соответствии со вторым законом термодинамики неотрицательно , то "поток энтропии " может быть как по ложительным , так и отрицательным . Если поток энтропии отрицательный , то определенные ст а дии эволюции могут происходить п ри общем понижении энтропии . Последнее , соглас но традиционной трактовке , означает , что "в ходе эволюции разупорядоченность будет уменьша ться за счет оттока энтропии ". Наука как открытая система Синергетика применима и к анал изу процесса самого научного познани я . Наука представляет собой совокупность знан ий , приведенных в систему , в которой факты и законы связаны между собой определенны ми соотношениями и взаимно обусловливают друг друга . Она является открытой информационной с и стемой , связанной с внешним миром потоками информации . В физических сис темах самоорганизация начинается если энтропия системы убывает. Энтропия же и информация с точностью до знака совпадают . Применение си нергетики в информационной формулировке в дан ном случае наиболее удобно . Система научных структур и понятий в своем единстве является парадигмой . С точ ки зрения синергетики , парадиг ма - это своего рода устойчивое состояние текущего рав новесия . В условиях нормального экстенсивного развития парадигма разрешает возникающие рассогл асования . По мере накопления информации , то есть ухода системы в сторону от равнов есия , структура научных з н аний дол жна пройти кинетический фазовый переход . Этот переход - переосмысление основ теории , изменен ие методологических предпосылок и стиля мышле ния - называется научной революцией . Коренная т рансформация и смена ведущих представлений да ют новую картину м и ра . В резул ьтате научной революции старая парадигма цели ком или частично замещается новой . Атрибутами фазового перехода являются : отклонения и флуктуации в установившихся понятиях , учащающееся появление “еретических” гипотез , крупномасштабные флукт уации в теоретических интерпретациях , появле ние согласований и корреляций типа одновремен ности и независимости одних и тех же открытий в разных местах . Примером последнего может являться появление концепции ноосферы в трудах Леруа , Тейяра де Шардена и Вернадского, а также понятия “пневматосферы” ( сферы духа ) в работе П.А.Флоренского . Развитие науки представляется пр оцессом самоорганизации , про ходящим через бифуркации , последовательность устойчивых , все бол ее усложняющихся состояний - парадигм . Нарушение открытости системы , прекращение притока новой информации приводит к диссипац ии знаний , схоластике . Замкнутость всего общес тва приводит к засто ю и деградации . Примером могут служить Спарта , средневековая Япония , изолированные племена . В настоящее время синергетика показала свою общенаучную значимость . Происходят качеств енные изменения основы наших знаний , вызванны е использованием идейного и поня тийного багажа синергетики различными науками . Синер гетика вводит новое видение мира и процес сов эволюции . Ситуацию можно рассматривать ка к преддверие перехода на новую парадигму вслед за теорией относительности и квантовой механикой . Вместе с тем , следуе т помнить Сократа : “Ос новная ошибка , которой следует остерегаться , - п олагать , что мы знаем больше , чем на са мом деле” . Л . де Бройль предупреждал о несостоятельности эйфории по поводу окончательности наших знаний : “...каждый успех нашего познания ставит бол ьше проблем , чем решает...” . Среды , в которых возникают различные процессы , т.е . системы далекие от состояния теплового равно весия , называют активными или возбуди мыми в отличие от невозбудимых (п ассивных ) сред . Активную сре ду можно представить как сеть , о бразованную отдельными активными элементами . Каждый элемент активной среды м ожет находиться в одном из трех состояний : покое , релаксации и во збуждении . Все элементы актив ной среды связаны одним свойством - переносом волновых процессов , которые проходят чер ез среду . Перенос осуществляется за сч ет “подкачки” энергии извне в элемент сре ды. Обратимся к одной из наиболее сложной из активных систем “ЧЕЛОВЕК” . На любом структурном уровне среды присутствует основной социальный элеме нт (человек со своей психологией, социаль ными , экономическими , политическими , жизненными взг лядами , устремлениями и т.д .). И человек не один . Это целое общество людей (студентов , педагогов , ученых , администраторов , политиков , инженеров , экономистов и т.д .). Каждая группа людей со своим м е нталитетом . Вс е они , вольно или невольно , по тем или иным причинам содействуют или препятствуют прохождению процесса информатизации в образо вательном учреждении. Среда может быть пассивной , когда указания “гореть” просто передаются сверху , то есть от орга н а государственного управления образованием до обучающегося в виде отработанных зара нее действий : постановлений , приказов , распоряжений , правил и т.д . Нужны громадные организацио нно-экономические усилия , чтобы провести по па ссивной среде энергию волны , и в с е же она быстро затухает. Но среда может быть и активной , когда каждая волна горения сверху подпитывается внутренне й энергией на каждом уровне , то есть н а каждом уровне среды есть свой генератор энергии (пейсмекер ). Волна свободно проходит через элементы к аждой структуры (ученых , администраторов , студентов и преподавателей и т.д .), отдающих свою энергию . Получив эту энергию , волна идет далее от элемента к элементу , распространяясь как пожар. “Горение” в социальной среде - это пра ктически творческий процесс работы энтузиас тов , которые работают на малых окладах , в плохих условиях и т.д ., но их удовлетв оряет сам процесс творческого горения , новизн а работы в данной сфере , творческий интере с в получении новых научных результатов , в озможность использования своего интеллект а и т.д. Волны горения (информатизация ) идут по разным каналам : официальным формальным структурам , путям , направлениям и неформальным - отдельным научным школам , временным творческим коллект ивам и т.п ., которые в инициативном порядке работают по н еожиданным , оригинальным и перспективным направлениям . Синергетика устанавливает оп ределенные режимы , параметры , характер процессов “горения ” , что является исключительно полезным для получения практически х результатов. Причем законы синергети ки гласят , чт о при превышении определенного уровня накачки энерги и в среду , она может самовозбудиться и перейдет в режим интенсивного горения (“лаз ерный режим” ), где очень легко можно будет управлять процессом прохождения волны , регул ируя их малыми уровнями добавляемо й энергии для того , чтобы направить в олну в нужном направлении обеспечения процесс а информатизации.
© Рефератбанк, 2002 - 2018