УЛЬТРАЗВУК И СИНЕРГЕТИКА - 1 (Что такое макрозвук, как упорядочить беспорядок и управлять неустойчивостью).

Ультразвук и синергетика

Ультразвуковые технологии –

упорядоченный беспорядок или управляемая неустойчивость

О самоорганизации в неживой природе под действием мощного «активного» ультразвука и термодинамических условиях, которые для этого необходимы.

1 Мощный ультразвук – что это такое?

Ультразвуковые колебания частотой 20-40 кГц и интенсивностью более 0,5 Вт/см² классифицируются как мощный ультразвук или «макрозвук».

Мощный ультразвук вызывает необратимые изменения в среде распространения и является средством активного воздействия на протекание тепломассообменных процессов в различных средах, на структуру и свойства твердых тел, на процессы их контактного взаимодействия и позволяет интенсифицировать технологические процессы получения и обработки материалов.

Мощный ультразвук может быть эффективно использован в разнообразных областях деятельности человека – энергетике, защите окружающей среды, добыче и переработке сырья, в технологиях получения материалов и веществ, биологии, медицине, химии и сельском хозяйстве. Использование мощного ультразвука в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет значительно снизить себестоимость процессов или продукта, получать новые продукты или повысить качество существующих; интенсифицировать традиционные технологические процессы или стимулировать реализацию новых, способствовать улучшению экологической ситуации. Ультразвуковые технологии позволяют получать значительный экономический эффект при относительно небольших капиталовложениях.

Современные технологии позволяют изготавливать ультразвуковое оборудование различного технологического назначения. Набор оборудования сводится к следующему перечню: ультразвуковые генераторы мощностью 0,1-20 кВт с рабочей частотой 20-40 кГц; пьезокерамические и магнитострикционные преобразователи мощностью 0,05-16 кВт и более; газо-гидродинамические ультразвуковые излучатели; волноводные системы, в том числе с развитой излучающей поверхностью, обеспечивающие введение колебаний в газы, жидкости (в т.ч. агрессивные и высокотемпературные расплавы), твердые тела и гетерогенные системы. Во многих случаях возможна стыковка ультразвукового оборудования с уже действующим оборудованием и технологическими процессами.

Мощный ультразвук – уникальное экологически чистое средство стимуляции физико-химических процессов.

2 О самоорганизации материи

В начале семидесятых годов прошлого столетия нобелевский лауреат М.Эйген в своей книге «Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул» предпринял попытку рассмотреть с физической и математической точек зрения одну из ступеней развития жизни – самоорганизация смеси макромолекул, способных к дарвиновскому процессу отбора, т.е. способных к эволюции.

М.Эйген не первый из пытавшихся ответить на вопрос, как из молекулярного хаоса образовались сложные структуры, приведшие к появлению высших животных. Он опирался на дарвиновскую теорию естественного отбора и на необходимое для развития жизни условие неравновесности, которое было сформулировано Э.Шредингером: – живая природа избегает равновесного состояния, и, чтобы удерживать систему вдали от равновесия, необходимо питать ее энергией.

Главная ценность эйгеновских моделей в том, что они первыми внесли ясность в совершенно не ясное: как из хаоса неупорядоченности возникает стройная система упорядоченности, и как она сохраняется во времени.

Сегодня самоорганизация в живой и не живой природе это уже целое научное направление.

Поскольку процесс самоорганизации всецело зависит от совокупного, совместного действия множества объектов (атомов, молекул, клеток и т.д.) то за этим научным направлением с легкой руки профессора из Штутгарта Г.Хакена, утвердилось название «синергетика» (от греч. synergos – вместе действующий).

Существуют различные подходы к проблемам самоорганизации материи. Наряду с синергетическими моделями, объясняющими механизмы возникновения и развития самоорганизующихся систем, используется термодинамический подход, предложенный И.Пригожиным и его учениками. Этот подход базируется на анализе диссипативных структур, которые образуются в результате самоорганизации (диссипации – рассеивание энергии в виде тепла).

Даже изложение начал этого направления требует привлечения сложного и громоздкого математического аппарата, а ознакомиться с теорией можно, обратившись к специальной литературе.

Нужно отдать должное тем, кто внес вклад в теоретический фундамент науки о самоорганизации: в ее математическую основу (А.М.Ляпунов и А.А.Марков), в теории нелинейных колебаний (Л.И.Мандельштам, А.А.Андронов; Р.В.Хохлов, А.В.Гапонов-Грехов); тепловых диссипативных структур (А.А.Самарский и С.П.Курдюмов); автоколебательных физико-химических реакций (Б.П.Белоусов и А.М.Жаботинский).

Доктор технических наук Г.Ф.Мучник обращает особое внимание инженеров и ученых, в первую очередь тех, кто работает в прикладных областях физико-химической кинетики и автономной энергетики, на технические идеи, вытекающие из теории самоорганизующихся структур.

Теория самоорганизации рождена для того, чтобы объяснить явления живой природы – самопроизвольный переход от простого к сложному. Практическое приложение этой теории невозможно переоценить. Самоорганизующиеся структуры и процессы уже давно используются в технике, яркий пример чему – генерация излучения в лазере.

Мощный ультразвук является одним из инструментов, способных активно влиять на изменение состояния вещества или среды. Соответственно приводить равновесную систему в неравновесное состояние и удерживать эту систему вдали от равновесия. Управляя ультразвуковым полем, можно активно управлять процессами.

Бионический подход к созданию новых машин, конструкций, аппаратов, технологических процессов, дополненный идеями и методами синергетики и основанный на ультразвуковых технологиях, позволяет увидеть решение многих удивительных технических задач.

В любой отрасли техники, для любого производства характерно стремление организовывать работу устройств и аппаратов в устойчивом стабильном режиме. Порядок и устойчивость процессов всегда считались и продолжают считаться чуть ли не главными техническими достоинствами. Технологи и конструкторы боятся внешнего беспорядка, неопределенности, неустойчивости, зыбкости, неизбежных энергетических потерь – этих обязательных составляющих неравновесности диссипативных структур и процессов.

В технике смелее всех оказались строители, сумевшие преодолеть этот психологический барьер, они стали закладывать в конструкции зданий и мостов возможность совершать упорядоченные колебания и, как мы знаем, это открыло для строителей более широкие возможности. Почему же в других областях техники и технологий так боятся, или не знают о возможностях, которые предоставляют им колебания?

3 О чем рассказывает термодинамика

Рожденная в середине позапрошлого века как наука о закономерностях превращения энергии, термодинамика непрерывно обогащалась и обогащала смежные области знаний. Она выросла в стройную систему, которая дает точное описание существующих методов получения и преобразование энергии, и прогнозирует их развитие.

В позапрошлом веке все энергопреобразования сводились в основном к получению полезной механической работы из тепла.

Первый и второй законы термодинамики позволили познать рабочие циклы тепловых машин. Классическая термодинамика оказалась вполне работоспособной, надежной и с наступлением эры электроэнергии – наиболее удобной для генерирования, передачи на расстояние и хранения формы энергии. Классической термодинамики вполне хватало и для описания преобразования химической энергии в электрическую (аккумуляторы, гальванические элементы). На что же ее не хватало, какие нераскрытые возможности классической термодинамики, где приделы ее применения?

В ее основе лежат два основных закона. Первый из них – закон сохранения энергии – связывает теплоту dQ, внутреннюю энергию dV, работу dL и изменение количества вещества dn_i в результате химических реакций и массообмена:

dQ = dV + dL – ∑µ_i dn_i ,

где µ – химический потенциал, играющий роль силы при распределении масс компонентов.

Напомним также, что, используя этот фундаментальный закон, мы получаем чрезвычайно важный для практики показатель – коэффициент полезного действия (к.п.д.)

η = dL / dQ ,

Второй закон термодинамики распространяется на все исследованные явления. Есть несколько формулировок этого закона; общее в них то, что он позволяет судить о направленности процессов: тепловая энергия переходит от нагретого тела к холодному, энтропия в изолированной системе растет и т.д.

Второй закон термодинамики акцентирует внимание на том, что вся энергия, генерируемая для производства полезной работы, в конечном счете, диссипирует, т.е. рассеивается в виде тепла. До сих пор считается, что главная задача нашей технической цивилизации – вовремя превратить энергию в механическую работу или электричество, до того момента, пока она окончательно рассеется в окружающую среду. Диссипация, как неизбежный переход энергии в ее менее работоспособную форму, сопровождает любой реальный термодинамический процесс. И отсюда следует главная задача энергетики – успеть совершить полезную работу до полного рассеивания произведенной энергии.

Итак, что может классическая термодинамика? Используя ее простые соотношения, можно найти предельные значения к.п.д. идеального цикла Карно и реальных тепловых и химических процессов. Можно рассчитать их параметры и установить связь между ними: например, уравнение состояния веществ связывает между собой такие параметры как давление, температура, объем. Классическая термодинамика позволяет рассчитывать величины, которые характеризуют процессы получения энергии и взаимного превращения ее форм. Наконец, она дает возможность рассчитать энергию в самых разнообразных физических и химических процессах.

Имея дело с равновесными обратимыми процессами, классическая термодинамика бессильна, когда необходимо познать ход, кинетику реальных явлений. Она практически неприемлема в описании процессов катализа, в теории лазеров, в физике плазмы, в описании мощных кавитационных полей и других актуальнейших проблемах современной техники.

Лет восемьдесят назад начала развиваться новая ветвь термодинамики – термодинамика необратимых процессов. Само название свидетельствует о попытке оценки механизмов неравновесности, и эта попытка удалась. Например, аппарат необратимой термодинамики объясняет механизмы эффектов (термоэлектричество, термодиффузия и др.), вызванных воздействием на систему различных по физической природе сил.

Далее, на основе термодинамики необратимых процессов, теории устойчивости и теории информации, начало развиваться еще одно новое направление термодинамики. Главные его объекты – процессы самоорганизации, в первую очередь в живой природе.

Сейчас, опираясь на последние достижения термодинамики, можно объяснить, казавшийся прежде необъяснимым, факт: в процессе самоорганизации живого, в эволюции от простейших биоорганизмов к высшим структурам, «вопреки» второму началу термодинамики, системы стремятся к менее вероятному состоянию, к уменьшению энтропии.

В отличие от закрытых систем, которые долгие годы были объектом исследований классической термодинамики, живая природа – система открытая, постоянно обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой. И пресловутая энтропийная закономерность, справедливая для закрытых систем, для живой природы недействительна.

Идеи неклассической термодинамики оказались весьма плодотворными и для объяснения некоторых, еще недавно загадочных явлений в неживой природе. Например, парадокса электрохимического преобразователя энергии – топливного элемента, у которого коэффициент преобразования в принципе может быть выше 100 %. Будучи открытой термодинамической системой, работая подобно клеточной мембране живого организма, топливный элемент черпает в этом случае долю энергии из окружающей среды. Эти же идеи привлекли внимание исследователей к явлениям природы, в которых, вопреки общей самопроизвольной направленности процессов в неорганическом, в неживом мире, наблюдается эволюция от простого к сложному. И, в конечном счете, – к самоорганизации.

4 Несколько примеров самоорганизации неживого

Если сказать просто: самоорганизующимся можно считать любой автоколебательный процесс. Устойчивые незатухающие колебания, которые, независимо от начальных условий, от вызвавших их возмущений, длительное время остаются в определенном режиме.

Рассмотрим наиболее простой случай. К неподвижной опоре прикреплен на пружинке грузик (рис. 1), он лежит на бесконечной замкнутой в кольцо ленте и может передвигаться вместе с лентой, но недалеко – в пределах натяжения-сжатия пружины. При всей внешней простоте такого рода система оказывается очень «крепким орешком» для математического анализа. Сам анализ мы опустим, а опишем лишь его результаты.

Шкив служит для грузика внешним источником энергии, пружина – средством обратной связи, возвращающим груз в исходное состояние. Привнесенная механическая энергия переходит при трении в тепло и рассеивается. В зависимости от скорости грузика υ и скорости ленты V, наша нехитрая система может пребывать в различных режимах. При υ = V трения нет, шкив и грузик движутся вместе; если υ V – возникает обычное трение и, благодаря диссипации энергии, начинается торможение грузика. Если скорость ленты превышает скорость грузика υ

Рисунок 1

Простейший пример автоколебательных процессов – грузик на пружине, приводимый в движение бесконечной лентой. Когда υ

Условия, необходимые для этого процесса:

1. Система должна быть нелинейной (практически все поля под действием мощного ультразвука – нелинейные) и ее отклик на воздействие непропорционален воздействию.

2. Второе обязательное условие – диссипация.

Второй пример самоорганизации – генератор электромагнитных колебаний. В контуре, состоящем из источника питания, емкости, индуктивности и активной нагрузки, служащей диссипативным элементом, при определенной настройке, устанавливается стабильный режим стационарных гармони-ческих колебаний. Без этого невозможен процесс приема-передачи радиосигналов.

Классический генератор Ван-дер-Поля является идеальной моделью автоколеба-тельных систем. Нелинейность работы генератора определяется не только диссипа-цией энергии на сопротивлении R, но и обратной связью через сетку триода (рис. 2).

Мы привели лишь два примера простейших автоколебательных систем, обладающих всего лишь одной степенью свободы.

Рисунок 2

Генератор Ван-Дер-Поля. Нелинейный элемент системы – сетка триода – позволяет настраивать генератор на определенную степень нелиней-ности и получать колебательные процессы разного характера. В линейной области колеба-ния носят хаотический характер, в нелинейных областях возможны автоколебательные про-цессы.

Рисунок 3

Ячейки Бинара – наглядный пример самоорга-низации в неживой природе. Точкой бифуркации служит определенная критическая величина критерия Рэлея (Ra кр).

В них настройка на автоколебания производится изменением только одного параметра: скорости шкива, напряжением на электродах триода.

Нам же необходимы технические аналогии самоорганизующейся живой природы с гораздо большим числом степеней свободы. К примеру, небольшие белковые структуры могут иметь число модификаций (степеней свободы) более 10-10¹⁰⁰.

Идеальным примером сложной самоорганизующейся неживой системы может служить конвективная неустой-чивость Бенара, наблюдаемая в ячейках Бенара. Увидеть это очень просто. Надо налить на сковороду тонкий слой любой достаточно вязкой жидкости (напр. растительного масла) и нагревать ее на огне, поддерживая постоянную температуру масляной поверхности. При слабом нагреве (малых тепловых потоках) жидкость спокойна, неподвижна. Но если тепловой поток увеличивать, то через определенное время неожиданно вся поверхность масла преображается – она разбивается на правильные гексагональные ячейки или цилиндры, очень похожие на пчелиные соты (рис. 3).

С точки зрения теплофизики ничего особенного не произошло. Начавшаяся естественная конвенция равномерно перемешивает слои жидкости по всей сковороде. В масле возникают маленькие вихри – моды. Причем сохраняются и выживают только те моды, которые эффективно используют подводимое к системе тепло. Их взаимодействие и приводит к образованию наиболее выгодной, с точки зрения термодинамических принципов, структурных шестигранников; жидкость поднимается к поверхности в центре ячейки и опускается у граней (аналогичный обмен тепловых потоков в пчелиных сотах). Если же посмотреть на образование бенаров, отвлекаясь от теплофизических механизмов, то нужно констатировать факт – неупорядоченная жидкость стала упорядоченной.

Гидродинамические и теплофизические свойства жидкости в условиях естественной конвенции характеризуют критерий Рэлея. При резком, мгновенном переходе от хаотического движения масла на сковороде к упорядоченным бенарам, величина этого критерия резко, скачкообразно возрастает (рис. 3).

Обращая особое внимание на то, что структура проходит к самоорганизации через некоторую узловую, критическую точку – так называемую точку бифуркации, в которой ее свойства резко меняются.

Еще один наглядный пример самоорганизации сложных систем – фигуры Хладни, возникающие под действием мощного ультразвукового поля.

Можно привести и другие примеры самоорганизации в неживой природе, например, лазер, в котором неупорядоченное полихроматическое излучение переходит в строго упорядоченное монохроматическое, или, наиболее интересные, – автокаталитические химические реакции.