Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

§ 2.2.4. Общие черты синергетических систем

Подводя итог рассмотрению синергетических систем (физических и химических), можно выделить следующие черты, присущие большинству из них: открытость, обратная связь, диссипация, аттрактор, фрактал, бифуркация, самоорганизация, неустойчивость.

1. Открытость. Синергетические системы являются открытыми, то есть, обменивающимися с внешней средой энергией и веществами.

2. Обратная связь. Синергетические системы являются системами с обратной связью. Обратная связь между объектами – это взаимозависимость между сигналом, исходящим от каждого из них по направлению
к другому, и сигналом, поступающим от другого. В реакции Белоусова-Жаботинского обратная связь наблюдается, например, между концентрациями Се3+ и Се4+. В качестве сигнала можно рассматривать изменение их концентрации. Исходящий от Се4+ сигнал о превышении некоторой критической [Се4+]max приводитт к получению сигнала от Се3+ об уменьшении концентрации Се3+ до некоторого критического минимума [Се3+]min, в результате чего запускается процесс s412.wmf По истечении некоторого времени от Се4+ пойдёт сигнал об уменьшении концентрации Се4+ до некоторого критического минимума [Се4+]min, что приводит к получению сигнала от Се3+ об увеличении концентрации Се3+ до некоторой критической [Се4+]max, в результате чего запускается процесс s413.wmf

3. Диссипация. Термин «Диссипа́ция» происходит от латинского слова dissipatio, что означает «рассеивание». В частности, диссипация энергии – это переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т. д.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге – в тепло. Диссипация атмосфер планет – рассеивание атмосферы планет вследствие улетучивания составляющих их газов в космическое пространство. Реакционная система Белоусова-Жаботинского является диссипативной системой.

Диссипативная система – это открытая система, образующая динамичные структуры в неравновесном состоянии при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё неравновесной открытой системой. В реакции Белоусова-Жаботинского диссипация энергии проявляется экзотермическим характером суммарного процесса. Динамичные структуры представлены на рис. 2.13, 2.15, 2.18. Строго говоря, диссипация энергии наблюдается во всех экзотермических реакциях, однако, большинство соответствующих реакционных систем не относят к диссипативным системам именно из-за отсутствия в них динамичных самоорганизующихся структур.

4. Аттрактор. Аттрактор – это форма, к которой стремится наблюдаемый объект. Например, если наблюдаемый объект представляет собой спиральную траекторию движения в воронке шарика (рис. 2.17), то аттрактором является точка.

Аттрактор реакции Белоусова-Жаботинского, формируемый в неперемешиваемых растворах, называют странным аттрактором. Наблюдаемым объектом в этой реакции являются пространственные структуры, в пределах которых осуществляются концентрационные колебания ионов Се3+ и Се4+. При этом аттрактор может приобретать самые причудливые очертания, например, такие как приведены на рис. 2.18 (а, б).

_2_18_1.tif _2_18_2.tif

а б

Рис. 2.18. Возможные аттракторы, формируемые
в неперемешиваемых растворах реакции Белоусова-Жаботинского

Из рис. 2.18 (б) или 2.14 особенно наглядно видно, что странный аттрактор представляет собой круги, форма которых повторяется при изменении масштаба, то есть, обладает свойством самоподобия. Подобные структуры называются фрактальными.

5. Фракталы. Фракталы – это объекты, обладающие свойством самоподобия. Например, рис. 2.19 или 2.14.

_2_19.tif

Рис. 2.19. Образцы простейших фракталов

6. Бифуркация. Выше уже отмечалось, что точкой бифуркации называется точка ветвления направлений течения процесса, примеры которой графически представлены на рис. 2.20.

7. Автоколебание. Автоколебание – это незатухающее колебание, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия, отличающееся от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы. В реакции Белоусова-Жаботинского автоколебание может поддерживаться непрерывной подачей в реакционную смесь исходных веществ и, сопровождающейся отводом продуктов реакции.

_2_20.wmf

Рис. 2.20. Зависимость от времени τ периода Т и амплитуды A колебаний концентрации Се3+ или Се4+ в реакции Белоусова-Жаботинского:
τ1 – точка бифуркации первичной, τ2 – точка вторичной бифуркации, τ3 – точка третичной бифуркации

8. Самоорганизация. Под самоорганизацией системы подразумевается процесс пространственного, временного или пространственно-временного упорядочения элементов этой системы за счёт их согласованного взаимодействия. В частности реакция Белоусова-Жаботинского структурируется в процесс гармонического колебания концентраций ионов Се3+ и Се4+, которое можно наблюдать во времени, пространстве и пространственно-временном континууме.

9. Неустойчивость. В реакции Белоусова-Жаботинского неустойчивость проявляется в отсутствии равновесия скоростей прямой и обратной реакции. Колебание концентраций ионов Се3+ и Се4+ свидетельствует о том, что одна из этих скоростей всегда больше другой.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252