Ячейки Бенара, модель самоорганизации биосферы

Все основные черты термодинамики необратимых процессов наиболее явно проявляются в явлении образования ячеек Бенара в жидкости.

Возникает разность (градиент) температур T между нижней и верхней поверхностями сильно нагреваемого слоя жидкости в сосуде (Рис. 1.1).

Рис. 1.1 – Эффект Бенара, сечение сосуда, нагреваемого снизу

Жидкость у нижней поверхности имеет меньшую плотность из-за теплового расширения, по сравнению с жидкостью вблизи верхней поверхности, и такой температурный градиент называется инверсным. «Легкий» нижний слой и «тяжелый» верхний стремятся поменяться местами благодаря наличию силы тяжести и архимедовой выталкивающей силы, и система становится неустойчивой. Но движение не возникает, и тепло передается только путем теплопроводности из-за вязкости жидкости при небольших градиентах температуры. Конвекционный поток появляется только при достижении критического значения температурного градиента. Этот поток обладает характерной структурой в виде шестиугольных ячеек. Внутри ячеек жидкость поднимается вверх, а по краям опускается вниз. Можно графически представить зависимость теплового потока q от нижней поверхности к верхней от разности температур T, (Рис. 1.2).

Режим неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым при сверхкритических значениях разности температур (пунктирная линия на Рис. 1.2), возникновение конвекционных ячеек характеризует приход устойчивого режима. Жидкость, находящаяся в состоянии покоя, уже не в состоянии справиться с переносом соответствующего большого количества тепла при больших разностях температур, а конвекционный режим более благоприятствует переносу тепла.

Конвекционные ячейки представляют собой более высокоорганизованную структуру, возникающую в результате коллективного движения молекул в жидкости, по сравнению со слабо неоднородным распределением параметров в покоящейся жидкости.

Возникает следующая ситуация. Система обменивается со средой только теплом в стационарных условиях и получает (при температуре T₁,) такое же количество тепла, что и отдает (при температуре T₂), но T_{2 <} T₁, получается, что система отдает энтропию среде (S = q / T₁ – q / T₂ < 0). Таким образом, можно сделать вывод, что внутренняя структура, или самоорганизация, поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии. «По предложению Бриллюэна отрицательная энтропия называется негэнтропией». [8]

Рис. 1.2 – Поток тепла в жидкости при докритических (отрезок 1) и сверхкритических (полупрямая 2) значениях температур

Ячейки Бенара можно интерпретировать как миниатюрную модель возникновения условий существования жизни на Земле. В виде упорядоченной структуры, питающейся негэнтропией, можно представить сферу жизни на Земле. Температура поверхности Солнца T₁ = 6000 К, следовательно, источник энергии солнечного излучения, поступающего на Землю, высокотемпературный, а температура Земли T₂ = 300 К, и энергия уходит обратно в космическое пространство при низкой температуре. Получается, что поток энтропии от Солнца на Землю меньше потока энтропии от Земли в космическое пространство по предположению, что в среднем энергия на Земле не накапливается. Следовательно, возможность жизни на Земле обусловлена существованием негэнтропии солнечного излучения. «По оценкам члена-корреспондента АН СССР К. К. Ребане, негэнтропийный рацион Земли составляет ~3*10²⁴/T₁₂ кал*град^-1*г^-1». [9] Можно сказать, что Земля получает высококачественную энергию от Солнца, малый поток энтропии определяет качество этой энергии. Затем происходит процесс ее переработки, сопровождающийся как ростом энтропии, так и выбросом ее в космическое пространство вместе с наработанной энтропией.

Можно предположить, что постоянный негэнтропийный рацион Земли для обеспечения жизнедеятельности на ней в обозримые интервалы времени, и лежит в основе закона сохранения биомассы на Земле, который в свое время открыл академик В. И. Вернадский. Несмотря на это нерешенными однозначно и требующими дальнейшего исследования на физическом уровне остаются вопросы существования жизни на Земле: молекулярной самоорганизации, принципы отбора и эволюции и т. д.

Поиск по сайту: