Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Особое значение имеет проверка новых решений проблем энергии, материалов и конструкционных элементов. Диссипативные структуры в том виде, как они возникают в процессе самоорганизации в физических, химических или биологических системах, обнаруживают определенные характеристики, связанные с подводом и хранением энергии, а также тепловыделения. Здесь открываются разнообразные возможности технических приложений, которые до сих пор реализованы лишь весьма незначительно. Так как хранение энергии, как правило, соответствует подводу
другой формы энергии, диссипативные структуры в принципе открывают возможность создания преобразователя энергии на новой технической основе, например, преобразователя химической энергии в электрическую (рис. 12.1). Такой преобразователь энергии может существовать в различных вариантах.
1. Источники энергии. Требуется, чтобы новые источники по своим характеристикам не уступали существующим батареям и аккумуляторам. Если учесть высокий уровень современной аккумулятор-но-батарейной техники, то станет ясно, что удовлетворить этому требованию очень трудно. Как показали теоретические оценки, КПД диссипативных структур как преобразователей энергии составляет лишь несколько процентов, и поэтому они вряд ли могут составить конкуренцию батареям и аккумуляторам, работающим вблизи равновесия (Feistel, Ebeling, 1984, 1988; Malchow, Schimansky-Geier, 1986). С другой стороны, появились новые источники энергии, например, батареи переменного тока, для которых могут существовать свои особые возможности замены.
2. Сенсоры. Во многих случаях КПД преобразования энергии диссипативными структурами относительно низок, и развиваемые мощности малы. Но для использования в сенсорах этих КПД и мощностей вполне достаточно. Разнообразие возможных диссипативных структур позволяет в принципе разработать различные типы сенсоров для различных областей применения (Malchow, Schimansky-Geier, 1986).
3. Методы измерения. Диссипативные структуры часто весьма чувствительно реагируют на изменения краевых условий и при этом могут претерпевать кинетические фазовые переходы различного рода. Фазовые переходы допускают создание точных методов измерения; например, химические диссипативные структуры служат весьма чувствительным средством обнаружения слабых электрических полей.
4. Транспортэнергии. Диссипативные структуры образуются только в открытых системах, постоянно подпитываемых внешним потоком энергии и/или вещества. Возникновение структур приводит к эффективному внутреннему транспорту, который может быть использован для переноса энергии или информации, или к быстрому, энергетически экономичному отводу тепла, или к созданию перепадов температур (Wheatley, Hoffler, 1983).
5. Методы разделения веществ. Диссипативные структуры представляют собой относительно простую форму энергии, которая, однако, нередко трудно реализуема с помощью существующих ныне традиционных технологий: градиентов, или перепадов, концентраций химических веществ (Feistel, Ebeling, 1984). На этом принципе могут быть созданы экономичные (требующие малых затрат энергии), «холодные» методы разделения веществ (рис. 12.2).
Широкое поле для приложений методов теории самоорганизации открывается в области двигателей внутреннего сгорания. Например, здесь уже достигнуты многообещающие результаты в ходе исследования разброса момента зажигания горючей смеси (Rigos, Deutch, 1982; Baras et al., 1983). Большой интерес представляет также
Г
Рис. 12.2. Схема установки для разделения веществ на основе химических диссипативных структур
Рис. 12.1. Схема батареи на основе электрических диссипативных структур
Рис. 12.3. Образование утонь-шений в сохнущем лаковом покрытии на основе эффекта Ма-рангони
такая область приложения, как новый подход к расчету КПД энергетических установок с помощью новейших теоретических методов (Richter et al., 1981). Классическая теория машин, преобразующих энергию, исходит из предположения об обратимом характере процессов. В действительности же процессы в энергетических установках протекают вдали от равновесия и поэтому связаны с производством энтропии. Теоретический анализ таких процессов оказался чрезвычайно трудным (Andresen et al., 1977). Преодоление встретившихся трудностей открывает возможности дальнейшей оптимизации традиционных энергетических установок (Richter, Ross, 1978).
Интересные возможности использования самоорганизации открываются в такой области техники, как лакокрасочные покрытия для защиты поверхностей от агрессивной среды и повышение износоустойчивости трущихся поверхностей. Важная область применения процессов самоорганизации — антикоррозионные покрытия. Самоорганизация может как способствовать, так и препятствовать нанесению антикоррозионных слоев. Например, при нанесении лака на металлическую поверхность в автомобильной промышленности образование ячеек в результате неустойчивостей граничных поверхностей при испарении летучего растворителя относится к числу нежелательных побочных эффектов (Linde, 1984). Однородность лакового покрытия нарушается, и возникают «тонкие места» — центры будущего коррозионного разрушения материала (рис. 12.3). Вторая важная область приложений связана с процессами разрушения. Материал, находящийся под напряжением, можно рассматривать как активную среду (с подкачкой энергии), к каждой пространственной точке которой подводится свободная энергия. При надкритических нагружениях (темпах накачки энергии) материал организуется заново: в нем возникают трещины, сколы и другие новые структуры. Третья область приложений самоорганизации — повышение износоустойчивости трущихся поверхностей. Показано, что использование механизмов самоорганизации может значительно уменьшить износ подшипников. При таком подходе подшипник рассматривается как открытая система с постоянной подкачкой извне высокоценной механической энергии (рис. 12.4). Механизм селективного трения (нулевой износ), открытый в 50-х годах Гаркуновым и Крагельским, основан на том, что часть накачиваемой энергии отводится физико-химическим процессам, уменьшающим износ или сводящим его к нулю (Гаркунов, 1982).
