1) Походження і зміст поняття «Синергетика».
Термін синергетика запропонував ввести Г. Хакен. Ця назва походить від грецького synergeia, що означає спільне або кооперативне дію.
Синергетика - сукупний колективний ефект взаємодії великого числа підсистем, що призводять до утворення стійких структур, тобто самоорганізації в складних системах.
Основним об'єктом вивчення синергетики є дисипативні структури. Тобто структури, які можуть існувати тільки при наявності інтенсивного обміну з навколишнім середовищем. Тобто ці структури живуть за рахунок свого оточення. Це динамічні структури.
2) Відмінність підходів в кібернетиці і синергетики.
Якщо в кібернетиці основна увага приділяється ролі рульового (регулятора), то в синергетики основне завдання полягає у виборі таких впливів на систему, які були б пристосовані до її внутрішніми властивостями. У кібернетичних системах управління основною метою є стабілізація системи щодо заданого рівня або програмного режиму, в синергетики основним завданням є визначення умов переходу системи в нестійкий стан, що дозволяє вивести систему на більш високий структурний рівень.
3) Що таке диссипативная структура.
Дисипативна структура - структура, яка обмінюється з навколишнім середовищем речовиною або енергією. Приклад - обмін теплом, розширення газу розпливанню краплі чорнила в воді, хмари, осередки Бенара, популяція тварин.
4) Що таке фрактал?
Термін фрактал походить від грецького слова «fractus» - розбитий, розчленований, дробовий. Утворюється шляхом нескінченного повторення вихідної формули в усі уменьшающемся масштабі за певним законом, тобто це як би мимовільна структура. Фрактальні структури відіграють велику роль при вивченні проблеми переходу від порядку до хаосу і навпаки.
5) Принцип порядку Больцмана.
Больцман зробив спробу опису ймовірності для систем, що складається з великого числа частинок.
З принципу Больцмана випливає, що необоротне термодинамічне зміна є наближення до більш імовірним станам, і що стан - аттрактор є макроскопічне стан, відповідне максимуму ймовірності. Як тільки такий стан досягнуто, система відхиляється від нього лише на незначну відстань і на короткий час. Тобто система флуктуірует близько стану аттрактора. Ентропія в рівновазі = 1 максимуму.
6) Два принципу асиметрії природи на прикладах перетворення енергії.
Внутрішня асиметрія - односпрямованість всіх мимовільно протікають в природі процесів. Гарячі тіла з плином часу охолоджуються, проте холодні самі по собі не стають гарячими, стрибучий м'яч поступово зупиняється, однак мимовільно м'яч не починає стрибати.
Інший аспект асиметрії природи - перетворення теплоти в роботу. Цей аспект природи дозволяє не просто опанувати енергією, запасеної в паливі, але і витягти з неї рушійну силу, кт в свою чергу відкриває можливість споруджувати штучні споруди, транспортні засоби, підтримувати зв'язок на відстані.
7) Співвідношення взаємності Онсагера (зв'язок між силами і потоками в лінійної термодинаміки).
Це співвідношення визначає область лінійної термодинаміки.
Якщо систему можна описати такими лінійними рівняннями, і існують взаємні співвідношення між цими процесами, що полягають в тому, що сила (1) діє на потік (2), в такому ж співвідношенні як сила (2) на потік (1), то система лінійна .
8) Теорія про мінімумі виробництва ентропії і що випливають з неї висновки.
Еволюція у відкритій системі можлива, якщо dS = ∫dS<0, то в системе возможно
освіту впорядкованої структури і в стаціонарному стані.
dS = 0, a de S = -di S. Якщо di S і de S -> 0, то система прагнути до термодинамічної рівноваги, тобто до максимальному хаосу. Sравн = Smax. Для виведення рівняння використовуються три наступні рівняння:
1) Рівняння балансу маси:
2) Диференціальне співвідношення Гіббса:
3) Рівняння балансу ентропії:
- вдалині від стаціонарного стану.
- в стаціонарному стані.
У лінійній системі, що виникли всередині системи або внесені ззовні обурення (флуктуації) асимптотично загасають.
З цього, самоорганізація, в сенсі спонтанного утворення нової, більш високоорганізованої структури неможлива.
Систему поточного рівноваги, можна розраховувати тими ж термодинамічних потенціалом, що і для рівноважної термодинаміки. Такі системи математично описувані і передбачувані.
9) Критерій еволюції.
, де - дестабілізація (хімізм), - стабілізація (дифузія).
У лінійної області переходить в теорему про мінімальне виробництво ентропії.
10) Співвідношення, що зв'язує умови термодинамічної стійкості з кінетикою хімічних реакцій.
11) Спрощений механізм утворення шестигранних осередків в моделі Бенара.
2) ΔT = ΔTкрітіч- конвективная нестійкість. З'являються осередки Бенара.
3) подальше підвищення призводить до турбулентності.
12) Приклади розв'язання задач нелінійної теплопровідності і їх практичне застосування.
Поширення тепла в циліндрі:
Тепло доходить до точок А і в і зупиняється
Якщо 2 джерела розташовані далеко, то вони будуть розвиватися незалежно один від одного.
Якщо 2 джерела розташовані близько, то один пригнічує іншого
Залежно початкових параметрів можна отримати потрібний режим поширення теплових хвиль.
13) Складові ентропії в реакції окислення заліза.
1) ентропії в навколишньому середовищі ;.
2) ентропії за рахунок зменшення обсягу .;
14) Складові ентропії в реакції дисоціації.
1) обсягу в слідстві ентропії
2) ентропії за рахунок упорядкування теплового руху молекул.
3) ентропії за рахунок числа частинок
4) ентропія змішання має максимум.
15) Що ви знаєте про реакцію Белоусова-Жаботинського.
Реакція Бєлоусова - Жаботинського є прикладом автокаталитической реакції. Реакція полягає в окисленні органічної кислоти в присутності відповідного каталізатора - церію, або марганцю. Візуально виражається в чергуванні червоних і сиих смуг через строго певний час. Це називається хімічними годинами.
У міру уварювання шлаку і його гомогенізації зменшується поверхню для зародження бульбашок в подшлаковом шарі (припиняється поверхневе кипіння). Для досить інтенсивного переходу в нижні шари металу та забезпечення зародження і зростання бульбашок на подине повинен зрости градієнт концентрації кисню в металі по відношенню до рівноважного, а також градієнт концентрацій кисню в шлаку по відношенню до рівноважного між шлаком і металом.
17) Схема механізму колебательности в металургійному реакторі-осцилляторе.
18) Принцип найменшого примусу.
При зовнішньому впливі на систему, система у відповідь виробляє дію спрямована протидія зовнішнього впливу. Для доказу використовується рівняння.
19) Принцип підпорядкування.
Найпростіше еволюційне рівняння:
У разі якщо речовина 1 з концентрацією q1 утворюється автокаталитически з речовини 2 з концентрацією q2 то еволюційне рівняння для швидкості утворення речовини 1 має вигляд
Автокаталітичні реакції, що протікають при певних примусових умовах, проявляють деякі властивості живих систем:
обмін речовин - постійне використання вихідної сировини для створення нових хімічних сполук;
самопроізводство - здатність речовини, розмножуватися за рахунок сировини;
відбір (селекція) - конкурентна поведінка компонента в слу-чаї обмежень, що накладаються на сировину або на загальну кількість наявних в розпорядженні місць (концентрацій), в кінцевому підсумку залишається той компонент, який найбільш пристосований.
20) Приклади мікроосцілляторов в металургії.
21) Співвідношення для критичного розміру дифузійної області.
22) Відхилення від рівноваги і біфуркації (біфуркаційних діаграма).
а) Близько до рівноваги стаціонарні стани асимптотично стійкі
б) Після деякого критичного значення термодинамічна гілка, може стати нестійкою, при цьому навіть досить мале обурення веде систему з термодинамічної гілки.
в) новий стійкий режим може відповідати впорядкованого стану
2 - точка біфуркації.
23) Роль флуктуацій в механізмі самоорганізації.
Виникнення нестійкості можна розглядати як результат флуктуації яка була локалізована в малої частини системи, а потім поширилася і привела до нового макроскопическому станом, тобто вплив флуктуацій на систему може привести до її упорядкування (самоорганізації).
24) рівняння динаміки популяцій тварин за рахунок загального ресурсу.
25) Рівняння популяцій типу хижак-жертва.
X - джерело живлення, Y - хижак
26) Висновок рівняння Ланжевена.
27) Висновок критерію еволюції з виходом на зв'язок стійкості з термодинамічними параметрами.