Часові залежності ВТ у сильно нерівноважних відкритих системах

У XIX та першій половині ХХ ст. фізики вивчали лише найбільш прості, замкнені системи, які не обмінюються із зовнішнім середовищем ні речовиною, ні енергією, при цьому в центрі уваги перебувала кінцева стадія термодинамічних процесів, коли система перебуває в стані, близькому до рівноваги. Тодішня термодинаміка була рівноважною термодинамікою. На нерівноважні ж процеси в той час дивилися як на винятки, другорядні деталі, які не заслуговують спеціального вивчення. Нині ситуація докорінно змінилася, і саме замкнені системи тепер розглядають як порівняно рідкісні винятки з правила. При цьому було встановлено, що в таких відкритих системах, що знаходяться в сильно нерівноважних умовах, можуть спонтанно виникати такі типи структур, які здатні до самоорганізації, тобто до переходу від безладу, "теплового хаосу", до впорядкованих станів. Автор нової, нерівноважної термодинаміки Пригожин назвав ці структури дисипативними, прагнучи підкреслити парадокс: процес дисипації (тобто незворотних втрат енергії) відіграє в їх виникненні конструктивну роль. Особливе значення в цих процесах мають флуктуації – випадкові відхилення якоїсь величини, що характеризує систему з великою кількістю одиниць, від її середнього значення.

Одним із найпростіших випадків такої спонтанної самоорганізації є так звана нестійкість Бенара. Якщо ми будемо поступово нагрівати знизу не занадто товстий шар в'язкої рідини, то до певного моменту відведення тепла від нижнього шару рідини до верхнього забезпечується однією лише теплопровідністю, без конвекції. Однак коли різниця температур нижнього і верхнього шарів досягає деякого порогового значення, система виходить з рівноваги і відбувається вражаюча річ. У рідини виникає конвекція, при якій ансамблі з мільйонів молекул раптово, як по команді, приходять в узгоджений рух, створюючи конвективні осередки у формі правильних шестикутників (рис.4.1).

             а                                         б

Рис 4.1. а – комірки Бенара, які виникають з раніше однорідної рідини при закритичному значенні температурного градієнта;

б – збільшена в 25 разів картина нестійкості Бенара у рідині. У центрі кожного осередку рідина піднімається вгору, на краях опускається.

Це означає, що більшість молекул починають рухатися з майже однаковими швидкостями, що суперечить і положенням молекулярно-кінетичної теорії, і принципу порядку Больцмана з класичної термодинаміки. Якщо у класичній термодинаміці тепловий потік вважається джерелом втрат (дисипації), то в осередках Бенара він стає джерелом порядку. Пригожин характеризує ситуацію, що виникла, як гігантську флуктуацію, що стабілізується шляхом обміну енергією з зовнішнім світом.