20 Примеры микроосцилляторов в металлургии
Проще всего механизм зарождения колебательности объяснить на примере элементарных диссипативных элементов, локализованных в пространстве, то" есть имеющих определенное пространственное распределение, а в случае гетерогенных химических процессов, имеющих также границы или поверхности переноса вещества, например, доставки и отвода реагентов.
В частности, в металлургии примерами гетерогенных химических реакций являются процессы окисления углерода, растворенного в металле на поверхности поднимающихся пузырьков СО (рис. 4.11a)
[С]+ [O] = {CO}
Окисление углерода из корольков металла, зависающих в шлаке (рис.4.11б)
[C]+ [FeO] = {CO}+ [Fe]
Окисление частичек твердого углерода, окруженных оксидами железа в шлаке (рис. 4.11в) и одновременно восстановление железа и оксида.
CТ + (FeO) = {CO}+ [Fe].
На рис. 4.11 изображена упрощенная схема гетерогенной реакции окисления углерода на границе металл-пузырек. Эту гетерогенную реакцию можно представить состоящей из следующих стадий: доставка кислорода и углерода из объема поверхности пузырька, адсорбция на поверхности, затем элементарный акт химической реакции, десорбция с поверхности внутрь пузырька и, наконец, отвод продукта реакции СО от поверхности внутрь пузырька.
Рис. 4.11. Примеры элементарных осцилляторов в сталеплавильных процессах
21. Соотношение для критического размера диффузионной области
22 Отклонение от равновесия и бифуркации
23 Роль флуктуации в механизме самоорганизации
На рис. 4.20 изображена система с единственным параметром порядка q. Если первоначально неактивная система имеет решение q = 0, она остается в точке q = 0 все время. Чтобы произошла самоорганизация, нужен определенный начальный толчок или случайно повторяющиеся толчки, осуществляемые случайными силами, которые практически всегда имеют место в реальных системах (локальные изменения плотностей, концентраций, температур, а в эволюционных биологических системах – мутации). Если бы не флуктуации, изображенная на рисунке система так бы и не «узнала», что в точке q = q(2) ее состояние будет еще более устойчивым, чем в точке q = q (1)
Поскольку q описывает макроскопическое поведение системы, среди новых соcтояний могут оказаться и такие, в которых система лучше приспособлена к окружающей среде, а, если предположить, что имеется ансамбль таких систем и они конкурируют между собой, то в игру может вступить отбор.
Таким образом, флуктуации и отбор приводят к эволюции систем.
Рис. 4.20. Переход в новое состояние засчет флуктуации
Рис. 4.21. Переключение прибора (системы) путем деформации потенциала V(q)
Некоторые устройства, приборы и системы, имеющие характер изменения потенциала типа изображенного на рис. 4.21, могут посредством внешнего, воздействия изменять свое состояние, а вместе с ним и некоторые свои макроскопические характеристики. Можно переключать прибор(например, туннельный диод) путем перевода его из состояния q(1) в q(2) засчет постепенного понижения потенциального барьера. Тогда диффузия(флуктуация) переводит систему из q(1) в q(2). После того как потенциальный барьер будет вновь повышен, система окажется захваченной в состоянии q(2). В данном примере величина флуктуации параметра порядка оказывает решающее влияние на характер функционирования системы. Приэтом ее адаптивность и легкость переключения требуют, чтобы флуктуации были велики, а минимумы на потенциальной кривой неглубокие и плавные, в то время как надежность, напротив, связана с требованием малых флуктуаций и глубоких потенциальных минимумов. Здесь мы еще раз столкнулись с противоречивостью требований к надежности и адаптивности теперь уже на примере флуктуаций параметра порядка, то есть изменений внутренних свойств системы.