Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

Когда значения физических величин в системе не очень отличаются от тех, которые существуют в окружающей среде, говорят, что система находится близко к равновесию. В этом случае проходящие через неё потоки будут прямо пропорциональны вызывающей их причине. А причина, как вам уже известно, заключается в том, что между участками системы и окружающей её среды существуют определённые различия: электрические заряды движутся благодаря разности потенциалов источника тока, ветер дует из-за перепада давления в разных участках атмосферы и т. д. Если такие различия не слишком велики, то скорости потоков пропорциональны силе действующих факторов. Примерами могут служить закон Ома, где сила тока пропорциональна разности потенциалов, или закон, согласно которому скорость передачи теплоты от горячего тела к холодному пропорциональна разности их температур. Если все входящие в систему потоки равны всем выходящим потокам, то говорят, что система находится в стационарном состоянии. Наглядным примером стационарного состояния служит бассейн, в который за единицу времени поступает столько же воды, сколько из него вытекает. Уровень воды в этом бассейне всегда будет оставаться постоянным, хотя бассейн, несомненно, является открытой системой и постоянно обменивается веществом (водой) с окружающей средой. Очень важно, что потоки в таких системах обладают очень большой устойчивостью. Если их течение будет временно нарушено каким-либо случайным воздействием (например, в медленно текущую реку бросить камень), то через непродолжительное время порядок будет восстановлен (равномерное движение воды в реке будет продолжаться).

Однако в том случае, когда различия, вызывающие потоки, становятся слишком велики, т. е. когда системы становятся сильно неравновесными, такая пропорциональность исчезает, а вместе с ней исчезает и устойчивость равномерного движения потоков.

Рис. 24. Горный поток (А) и равнинная река (Б)

Сравним поверхность воды в медленно текущей равнинной реке и в мчащемся горном потоке (рис. 24). В первом случае скорость течения невелика, и все слои воды движутся почти параллельно друг другу. На поверхности воды не обнаруживается никаких выпуклостей и впадин. Такое течение называют ламинарным. Если же мы посмотрим на горный поток, то увидим на его поверхности сложный рисунок с поворотами, завихрениями и другими признаками неравномерности течения. Причём такой рисунок будет довольно устойчивым и будет сохранять свой вид в течение долгого времени, несмотря на то что через этот участок ежесекундно проносится огромное количество воды. Это значит, что траектории этих слоёв воды подчиняются не простому закону «двигайся сверху вниз», а каким-то более сложным правилам, которые организуют

эти траектории. Это означает, что в потоке возникает самоорганизация.

В лабораторных условиях можно наблюдать поразительный пример движения масла, приводящего к спонтанной самоорганизации. Такой опыт можно провести даже на собственной кухне. Возьмите сковороду с плоским дном, налейте в неё немного масла, смешанного с каким-нибудь порошком для того, чтобы было заметно движение жидкости, и поставьте её на слабый огонь. Нижний слой масла будет разогреваться в первую очередь, возникнет разница температур между дном и поверхностью масла и движение масла от дна к поверхности. Охладившись на поверхности, остывшие участки масла будут опускаться вниз.

Рис. 25. Ячейки Бенара и схема их образования

Вначале это движение будет хаотичным. Но когда различие температур в глубоком и поверхностном слое достигнет определённого уровня, движение участков масла станет согласованным. Мы увидим, как на поверхности жидкости образуются правильные шестиугольные ячейки, в середине которых частицы порошка движутся вверх, а по краям, т. е. на местах соприкосновения этих ячеек, – вниз. Эти ячейки называются ячейками Бенара, по имени впервые описавшего их исследователя (рис. 25). С точки зрения термодинамики Больцмана вероятность такого упорядоченного состояния почти равна нулю. И всё же самоорганизация происходит!