Fázisváltozások összetett rendszerekben

Full text search

Fázisváltozások összetett rendszerekben
A korszerű nem-egyensúlyi termodinamika szerint a dinamikai rendszerek 3 állapot valamelyikében vannak. Ezek lehetnek termodinamikailag egyensúlyi, közel egyensúlyi és az egyensúlyitól távoli állapotok. Egyensúlyi rendszerállapotban az energia és az anyag áramlása megszüntette a hőmérséklet- és koncentrációkülönbségeket, a rendszer maga homogén és dinamikailag közömbös. A második állapot csak kismértékben különbözik az elsőtől: a közel egyensúlyi állapotban lévő rendszerekben vannak kis hőmérséklet- és koncentrációkülönbségek; a belső szerkezet nem véletlenszerű és a rendszer nem közömbös. Az ilyen rendszerek az egyensúlyi állapot felé törekszenek, ha megszüntetjük azokat a hatásokat, amelyek a rendszert az egyensúlyi állapotból kimozdították. Amikor az oda- és visszafelé vezető reakciók statisztikusan kiegyenlítették egymást úgy, hogy többé nincs általános koncentrációváltozás, akkor a rendszer termikus és kémiai egyensúlyba jut. Ebben az állapotban sem entrópia, sem erő, sem fluxus nem termelődik. Másrészt viszont a közel egyensúlyi állapotokban az entrópiatermelés kicsi, az erők gyengék, és a fluxusok egyenesen arányosak az erőkkel. Az ilyen állapotban lévő rendszereket a lineáris termodinamika írja le, statisztikusan megjósolható viselkedésekkel kifejezve.
Van azonban a rendszereknek egy harmadik lehetséges állapota, éspedig a termikus és kémiai egyensúlytól távoli állapot. Az ebben az állapotban lévő rendszerek nem törekszenek a minimális szabad energiájú és maximális entrópiájú állapot felé, mint a korábban tárgyaltak, hanem felerősítenek bizonyos ingadozásokat, és új dinamikai tartományok felé törekszenek, melyek alapvetően eltérnek az egyensúlyi vagy közel egyensúlyi állapotoktól.
A planetáris környezet sokféle, az egyensúlyitól távoli állapotban lévő rendszerből áll, s egészében maga is ilyen rendszert alkot. Egy ilyen környezetben a változást nem kizárólag a határain, vagyis a bioszférán belül lejátszódó, megfordíthatatlan folyamatok határozzák meg. A bioszférikus környezet belső folyamatai a termodinamika második főtételének engedelmeskednek, amely törvény szerint a szabad energia hőveszteséggé alakulása során a zárt rendszerek megfordíthatatlanul a maximális entrópiájú állapot, az egyensúly felé mozdulnak el. A planetáris környezet azonban nem zárt rendszer, így a rendjének és folyamatainak fenntartásához szükséges szabad energia – vagyis negatív entrópia – kívülről bejuthat ebbe a környezetbe, s ez valóban így is van. Tudjuk, hogy ha szabad energia – vagyis negatív entrópia – jut át a rendszer határain, akkor a szabad energia és a negatív entrópia-áramlások kiegyenlíthetik a belső hőveszteségeket és pozitív entrópia-áramlásokat. Így, ha a rendszer kívülről szabad energiát kaphat, megmaradhat az egyensúlyitól távoli állapotban, s zárt rendszerektől és a közel egyensúlyi rendszerektől eltérően, nem fog szükségszerűen az egyensúly felé mozogni, megfordíthatatlanul növekvő entrópiával. A nyitott rendszerek entrópiaváltozását nem a második főtétel, hanem a Prigogine-egyenlet megoldása szabja meg, s eszerint a rendszer teljes entrópiaváltozása nulla vagy negatív is lehet, vagyis a nyitott rendszer lehet stacionárius állapotban (nincsen entrópiaváltozás) vagy növekedhet és bonyolultabbá válhat (negatív entrópiaváltozás); a rendszerben lejátszódó megfordíthatatlan folyamatok termelte entrópia a környezetnek átadódik. Pontosan ez történik a planetáris környezetben. A benne lejátszódó folyamatok – a bioszféra folyamatai – megfordíthatatlanul hőveszteséggé alakítják át a szabad energiát. A szabad energiát azonban állandóan pótolja a Napból érkező sugárzás. A planetáris környezetben keletkező entrópia végül is átadódik a külső térnek, azaz a planetáris környezet környezetének, így maga a planetáris környezet fennmaradhat egy, a termodinamikai egyensúlytól távoli állapotban.
A planetáris környezet fázisváltozásainak véletlenszerű természete az egyensúlyitól távoli állapot következménye. Az ilyen rendszerekben a fázisváltozások nemlineárisak (vagyis az eredmény mértéke nem arányos az azt előidéző változás mértékével) és nem determinisztikusak (előre meghatározottak). A nem egyensúlyi tartományban lévő rendszerek nagyon érzékenyek a paraméterek változásaira, és rossz irányban ható külső feltételek mellett gyorsan elveszíthetik stabilitásukat. Ha stabilitásuk felső határát átlépik, kritikus instabilitások lépnek fel, meghatározatlan, véletlenszerű, kaotikus átmeneti fázisba jutnak, s nagy mennyiségű entrópia termelődik bennük.
Az egyensúlyitól távoli állapotban levő rendszerek azért nemlineárisan és meghatározhatatlan módon változnak, mert több stabil állapotuk van: egynél több stacionárius állapotuk lehetséges (stacionárius az az állapot, amelyben a megfordíthatatlan folyamatok által termelt entrópia és a kívülről bejutó entrópia egyensúlyban van). Ha egy stacionárius állapotot kritikusan megzavarunk, akkor a rendszer megállapodhat valamelyik másik stacionárius állapotban. Minél távolabb van egy adott rendszer a termodinamikai egyensúlytól, és minél bonyolultabb, szerkezete annál érzékenyebb a változásokra, és annál nagyobb a lehetséges stacionárius állapotok száma, amelyekben újra stabilizálódhat.
Előre nem lehet meghatározni, hogy a kritikus megzavarás után egy egyensúlyitól távoli állapotban lévő rendszer milyen stacionárius állapotba kerül. Ezt nem határozzák meg sem a rendszer kezdőfeltételei, sem a környezeti paraméterek kritikus értékeinek változásai. A rendszer véletlenszerűen viselkedik: látszólag véletlenszerűen számos belső ingadozásainak egyike felerősödik és nagy sebességgel terjed mindaddig, amíg uralkodóvá nem válik a rendszer teljes dinamikai tartományán. Mivel a lehetséges stacionárius állapotok száma az egyensúlyitól való távolsággal arányosan nő, minél nagyobb a rendszer negatív entrópiája, annál kevésbé határozható meg előre kritikus fázisváltozásainak végeredménye. Az ily módon belépő véletlen tényezők miatt az egyensúlyitól távoli állapotú rendszerek fejlődésének pályája nem jósolható meg előre. Két azonos kezdőfeltételekkel induló rendszer, melyben lényeges paraméterek is azonos módon változnak meg, teljesen eltérő módon fejlődhet.

 

 

A témában további forrásokat talál az Arcanum Digitális Tudománytárban

ÉRDEKEL A TÖBBI TALÁLAT

Arcanum logo

Arcanum is an online publisher that creates massive structured databases of digitized cultural contents.

The Company Contact Press room

Languages