Белоусов-Жаботинский реакциясында ферроинмен реакциялық қоспаның түсінің өзгеруі

Белоусов-Жаботинский реакциясы- реакциялық ортаның күрделі кеңістік-уақыттық құрылымын құрайтын кейбір реакция параметрлері (түсі, компоненттерінің концентрациясы, температура және т.б.) периодты түрде өзгеретін тербелмелі режимде жүретін химиялық реакциялар класы.

Қазіргі уақытта бұл атау механизмі бойынша ұқсас, бірақ қолданылатын катализаторлар (Ce 3+, Mn 2+ және Fe 2+, Ru 2+ комплекстері), органикалық қалпына келтіретін агенттер (малон қышқылы, бромомалон) бойынша ерекшеленетін өзара байланысты химиялық жүйелердің тұтас класын біріктіреді. қышқыл, лимон қышқылы, алма қышқылы және т.б.) және тотықтырғыштар (броматтар, йодаттар және т.б.).

Белгілі бір жағдайларда бұл жүйелер тұрақты мерзімдіктен ретсіз тербелістерге дейінгі мінез-құлықтың өте күрделі формаларын көрсете алады және әмбебап заңдылықтарды зерттеудің маңызды объектісі болып табылады. сызықты емес жүйелер. Атап айтқанда, Белоусов-Жаботинский реакциясында бірінші эксперименттік оғаш аттрактор байқалды. химиялық жүйелержәне оның теориялық болжамды қасиеттерін эксперименттік тексеру жүргізілді.

Б.П.Белоусовтың тербелмелі реакцияның ашылу тарихы, эксперименттік зерттеуоның және көптеген аналогтары, механизмін зерттеу, математикалық модельдеу, тарихи мәніұжымдық монографияда берілген.

Ашылу тарихы

Реакция механизмі

Жаботинский-Корзухин үлгісі

Белоусов-Жаботинский реакциясының бірінші моделін 1967 жылы Жаботинский мен Корзухин жүйедегі тербелістерді дұрыс сипаттайтын эмпирикалық қатынастарды таңдау негізінде алған. Ол әйгілі консервативті Лотка-Вольтерра үлгісіне негізделген.

d X 1 d t = k 1 X 1 (C − X 2) − k 0 X 1 X 3 (\displaystyle (\frac (dX_(1))(dt))=k_(1)X_(1)(C-) X_(2))-k_(0)X_(1)X_(3)) d X 2 d t = k 1 X 1 (C − X 2) − k 2 X 2 (\displaystyle (\frac (dX_(2))(dt))=k_(1)X_(1)(C-X_() 2))-k_(2)X_(2)) d X 3 d t = k 2 X 2 − k 3 X 4 (\displaystyle (\frac (dX_(3))(dt))=k_(2)X_(2)-k_(3)X_(4))

Мұнда X 2 (\displaystyle X_(2))= , C= 0 + 0 , X 1 (\displaystyle X_(1))- автокатализатор концентрациясы, X 3 (\displaystyle X_(3)) = .

Брюсселатор

Тербелмелі динамикасы бар Пригожин ұсынған ең қарапайым модель.

Орегонатор

Филд пен Нойес ұсынған механизм Белоусов-Жаботинский реакциясының мінез-құлқын зерттейтін еңбектердегі ең қарапайым және сонымен бірге ең танымал механизмдердің бірі болып табылады:

I		A+Y		X
II		X+Y	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	П
III		B+X	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	2X+Z
IV		2 X	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	Q
В		З	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	f Y

Сәйкес қарапайым дифференциалдық теңдеулер жүйесі:

d [ X ] d t = k I [ A ] [ Y ] − k I I [ X ] [ Y ] + k I I I [ B ] [ X ] − k I V [ X ] 2 (\displaystyle (\frac (d[X]) )(dt))=k_(I)[A][Y]-k_(II)[X][Y]+k_(III)[B][X]-k_(IV)[X]^(2) ) d [ Y ] d t = − k I [ A ] [ Y ] − k I I [ X ] [ Y ] + f k V [ Z ] (\displaystyle (\frac (d[Y])(dt))=-k_( I)[A][Y]-k_(II)[X][Y]+fk_(V)[Z]) d [ Z ] d t = k I I I [ B ] [ X ] − k V [ Z ] (\displaystyle (\frac (d[Z])(dt))=k_(III)[B][X]-k_( V)[Z])

Бұл модель тәжірибе жүзінде байқалғанға ұқсас қарапайым тербелістерді көрсетеді, бірақ ол күрделі периодты және ретсіз тербеліс сияқты күрделірек тербеліс түрлерін көрсетуге қабілетсіз.

Жетілдірілген Орегонатор

Шоуалтер, Нойес және Бар-Эли моделі күрделі периодты және хаотикалық реакциялардың әрекетін модельдеу үшін әзірленген. Дегенмен, бұл модельде хаосқа қол жеткізу мүмкін болмады.

1		A+Y		X+P
2		X+Y	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	2P
3		A+X	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	2 Вт
4		C+W	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	X+Z»
5		2 X	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	A+P
6		Z"	→ (\displaystyle \оң жақ көрсеткі )	g Y + C

Қайда A (\дисплей стилі A)- BrO 3 − ; X (\displaystyle X)- HBrO 2; Y (\дисплей стилі Y)- Br − ; C (\дисплей стилі C)- Ce 3+; Z (\displaystyle Z)" - Ce 4+; W (\displaystyle W)- BrO 2; P (\displaystyle P)- HOBr.

Белоусов-Жаботинский реакциясы- реакциялық ортаның күрделі кеңістік-уақыттық құрылымын құрайтын кейбір реакция параметрлері (түсі, компоненттерінің концентрациясы, температура және т.б.) периодты түрде өзгеретін тербелмелі режимде жүретін химиялық реакциялар класы.

Қазіргі уақытта бұл атау механизмі бойынша ұқсас, бірақ қолданылатын катализаторлар (Ce 3+, Mn 2+ және Fe 2+, Ru 2+ комплекстері), органикалық қалпына келтіретін агенттер (малон қышқылы, бромомалон) бойынша ерекшеленетін өзара байланысты химиялық жүйелердің тұтас класын біріктіреді. қышқыл, лимон қышқылы, алма қышқылы және т.б.) және тотықтырғыштар (броматтар, йодаттар және т.б.).

Белгілі бір жағдайларда бұл жүйелер тәртіпті периодтыдан хаотикалық тербелістерге дейінгі мінез-құлықтың өте күрделі формаларын көрсете алады және сызықты емес жүйелердің әмбебап заңдарын зерттеудің маңызды объектісі болып табылады. Атап айтқанда, дәл Белоусов-Жаботинский реакциясында химиялық жүйелердегі алғашқы тәжірибелік оғаш аттрактор байқалды және оның теориялық болжамды қасиеттері эксперименталды түрде тексерілді.

Ұжымдық монографияда Б.П.Белоусовтың тербелмелі реакцияның ашылу тарихы, оның эксперименттік зерттеулері және көптеген аналогтары, механизмін зерттеу, математикалық модельдеу, тарихи маңызы берілген.

Энциклопедиялық YouTube

1 / 5

✪ Белоусов-Жаботинский реакциясы. Тербелмелі реакциялар (1 бөлім). Химия - Қарапайым

✪ Белоусов-Жаботинский реакциясы

✪ РЛ-дағы Белоусов-Жаботинский реакциясы

✪ Белоусов-Жаботинский реакциясы

✪ Белоусов-Жаботинский реакциясы

Субтитрлер

Баршаңызға сәлем, Александр Иванов сіздермен және «Химия – жай» жобасы Бүгін біз тербелмелі реакцияларды қарастыратын бейнелер сериясын бастаймыз.1937 жылы неміс химигі Ганс Кребс лимон қышқылының тотығу циклін ашты, Кребс химия бойынша Нобель сыйлығын алған маңызды жаңалық.Цикл Кребс реакциясы оттегімен тыныс алу, энергиямен қамтамасыз ету және жасушалардың өсуіне байланысты негізгі реакция болып табылады.Кеңес Одағында бір ғалым бар еді, ол химия бойынша Нобель сыйлығын алуға болады ма деген сұрақ қойды. қарапайым – идеалды – күрделі Кребс циклінің бейорганикалық аналогы? Бұл тірі жасушада болып жатқан күрделі процестерді, қарапайым химиялық реакцияны зерттеуге және түсінуге оңай модельдеуге мүмкіндік берер еді.1951 жылы Белоусов КСРО Ғылым академиясының журналында мұндай химиялық реакция туралы мақала жазды. Бірақ ол қабылданбады - шолушы мақаладан бас тартты, мұндай химиялық реакция мүмкін емес деп үзілді-кесілді растады. Алайда химикіміз тайсалмай, ізденістерін жалғастырды.Ал бұл кезде ғылым бір орнында тұрған жоқ. Ағылшын математигі- Алан Тьюринг, комбинацияны ұсынды химиялық реакциялардиффузиялық процестермен тұтас сыныпты түсіндіре алады биологиялық құбылыстарМысалы, бұл жолбарыс терісіндегі мерзімді жолақтарды түсіндіруге болады.Кеңес физигі және химигі Илья Романович Пригожин 1955 жылы тепе-теңдіксіз термодинамикалық жүйелерде, олардың барлығын қамтитын деген қорытындыға келді. биологиялық жүйелер, химиялық тербеліс болуы мүмкін. Тьюринг те, Пригожин де талқыланатын құбылыстың ашылғанына күдіктенбеді.Бұл тақырып бойынша мақала жарияланбады.Соңында Белоусов өз жұмысының жаңа нұсқасын басқа біреуге жібереді. Ғылым журналы , дегенмен мақала жариялаудан бас тартумен қайтадан қайтарылады. Рецензент авторға оны бір-екі бетке дейін қысқартуды ұсынды.Мұндай арсыздыққа Белоусов шыдай алмай, мақаланы қоқыс жәшігіне лақтырып жіберді және академиялық журналдармен байланысын мәңгілікке тоқтатты.Ал тек 8 жылдан кейін тербеліс реакциясы туралы ескерту. сәулелік медицина еңбектерінің жинағында жарық көрді.Мәскеуде бір жерде химиялық жүрек соғатын стакан бар деген қауесет тарады.Бұл химик Саймон Шноллды қызықтырды.Ол Борис Павловичті тауып, керемет реакцияның рецептін алды.Және оны орындаған кезде ол қатты таң қалды.Ол өзінің аспиранты Анатолий Маркович Жаботинскийге тербеліс-химиялық құбылысты егжей-тегжейлі зерттеуді тапсырды.Жақында бұл реакцияны зерттеуге ондаған адамдар қатысты - олар жүздеген мақалалар жариялады, Белоусов бұл қызметке қатыспады, жасы 70-тен асқан, институтында жұмысын жалғастырды, содан кейін бюрократтар оған жетіп, зейнеткерлікке жіберді. Жұмыссыз қалған Борис Павлович көп ұзамай қайтыс болды. Ол ашқан әйгілі химиялық реакция, қазір Белоусов-Жаботинскийдің атымен аталған, қазіргі дүниетанымдағы бетбұрыс болды. Енді тербелмелі реакция 20 ғасыр ғылымының алтын қорына енді.Көп ұзамай неше түрлі тербелмелі реакциялар ашылды, ендеше химиямен айналысып, Белоусов-Жаботинский реакциясын өзіміз жүргізейік.Оны жүзеге асыру үшін біз дайындаймыз. 3 шешім. Олардың шығармалары экранда көрсетіледі. Қосарланған церий мен аммоний нитратының орнына, негізінен, кез келген басқа церий (IV) тұзының эквивалентті мөлшері көмектеседі.А және В ерітінділерін араластырыңыз және бір минуттан кейін үздіксіз араластырыңыз, С ерітіндісін қосыңыз. Көріп отырғанымыздай, ерітінді өзінің мәнін өзгертеді. Бірақ біз мұнымен тоқтап қалмаймыз. , ферроин ерітіндісін қосу арқылы бұл реакцияны жақсартамыз. Оның құрамын экраннан көруге болады. Болып жатқан құбылыстың ең толық механизмін 80 элементар реакциялар жиынтығы арқылы сипаттауға болады.Бұл түрлендірулер осылай көрінеді.Химик болсаңыз да, егжей-тегжейлі еске түсірудің қажеті жоқ. Біз жай ғана қасіреттің ауқымын, дәлірек айтсақ, мұндай сұлулықтың қалай болатынын көрсетеміз.Ерітіндіні үнемі араластырып тұрса, түсі осылай өзгереді, ал араластыруды тоқтатсақ немесе биік, тар ыдысты осы ерітіндімен толтырсақ, онда ол толығымен көрінеді. Ғарыштық.Ал мазаламағандар үшін біз не болып жатқанын жалпы түрде талдаймыз. А және В ерітінділерін араластырғаннан кейін стақанда бірнеше процесс жүреді. Сіз олардың реакциясын экранда көресіз. Бұл реакциялар бір-бірімен бәсекелеседі. Ерітіндінің сары түсі бромның бөлінуіне байланысты. Бром қандай түсті - сіз бром туралы бейнеден көре аласыз. Содан кейін бром малон қышқылымен әрекеттеседі де, сары түс жоғалады.Содан кейін Церийдің тотығу реакциясы жүреді, ол келесі реакциялармен басталады.Сонымен қатар бром қышқылы тұрақсыз және ыдырап бром иондарын түзеді, бұл алдыңғы реакцияларды жеделдетеді. Айтпақшы, церий бұл процесте катализатор болып табылады.Катализатор дегеніміз реакцияны тездететін, бірақ реакцияның өзіне қатыспайтын зат. Ал егер бұл реакцияда церий тотыққан болса, онда бұл реакцияда ол өзінің бастапқы күйіне оралады.Церий 3+ және церий 4+ иондарының концентрациясы үнемі өзгеріп тұратынын көруге болады. Бұл жерде біз шыныға соңғы рет фероин ерітіндісін қосқанымызды есте ұстауымыз керек, ол тотығу-тотықсыздану потенциалының мәніне байланысты түсін өзгерте алады, ол өз кезегінде церий 4+ және церий 3 концентрацияларының қатынасымен анықталады. + ерітіндідегі иондар.Тотығу-тотықсыздану потенциалы дегеніміз не?қалпына келтіру потенциалы, оны басқа уақытта қарастырамыз. Егер церий 4+ иондарының концентрациясы жоғарыласа, онда ол фероиндегі темірді 2 валенттіден 3 валенттіге дейін тотықтырады.2 валентті темірдің кешені қызыл, ал 3 валентті темірдің кешені көк түсті болады. Сонымен әр түрлі церий иондарының концентрацияларының қатынасы өзгергенде ерітіндінің түсі өзгереді.Тербелістер шыныда болып жатқан процестер үнемі бір-бірімен бәсекелес болғандықтан пайда болады.Бір кезде бром көп,кейбір жерде. нүктесінде бромат иондары болады, ал кейбір бромид иондарында ерітіндінің түсі қазіргі кездегі заттардың қайсысының концентрациясына байланысты.Бөлінетін бром сары түс береді.Бром аз және бром иондары көп болғанда. , ерітінді көк түске ие.Сонымен қатар біз бұл реакцияны ерітіндіге фероин қосу арқылы өзгерттік, ол да көк пен қызыл арасындағы церий 4+ иондарының концентрациясына байланысты оның түсін өзгертеді. Әрине, церий иондарының түсі туралы ұмытпау керек. Егер церий 3+ иондары түссіз болса, церий 4+ иондары ерітіндіні сары түске бояйды. Және осы түстердің барлығы қабаттасқан кезде, шешімде сіз көрген барлық басқа түстер болуы мүмкін. Әрине, сізде сұрақ бар - «Бұл реакцияның практикалық қолданылуы қандай?» Жауап қарапайым - жоқ! Осы нақты химиялық реакцияны қолдануға болатын максимум тек демонстрациялық мақсаттарға арналған. Біраз уақыттан кейін басқа бейнелерде біз басқа ұқсас тербелмелі реакцияларды, соның ішінде бар реакцияларды қарастырамыз. практикалық қолдануБар болғаны – жазылыңыз, «Бас бармақ» қойыңыз, жобаны қолдауды ұмытпаңыз және достарыңызға «Сау бол» деп айтуды ұмытпаңыз!

Ашылу тарихы

Реакция механизмі

Жаботинский-Корзухин үлгісі

Белоусов-Жаботинский реакциясының бірінші моделін 1967 жылы Жаботинский мен Корзухин жүйедегі тербелістерді дұрыс сипаттайтын эмпирикалық қатынастарды таңдау негізінде алған. Ол Лотка-Вольтерраның әйгілі консервативті үлгісіне негізделген.

d X 1 d t = k 1 X 1 (C − X 2) − k 0 X 1 X 3 (\displaystyle (\frac (dX_(1))(dt))=k_(1)X_(1)(C-) X_(2))-k_(0)X_(1)X_(3)) d X 2 d t = k 1 X 1 (C − X 2) − k 2 X 2 (\displaystyle (\frac (dX_(2))(dt))=k_(1)X_(1)(C-X_() 2))-k_(2)X_(2)) d X 3 d t = k 2 X 2 − k 3 X 4 (\displaystyle (\frac (dX_(3))(dt))=k_(2)X_(2)-k_(3)X_(4))

Мұнда X 2 (\displaystyle X_(2))= , C= 0 + 0 , X 1 (\displaystyle X_(1))- автокатализатор концентрациясы, X 3 (\displaystyle X_(3)) = .

Брюсселатор

Тербелмелі динамикасы бар Пригожин ұсынған ең қарапайым модель.

Орегонатор

Филд пен Нойес ұсынған механизм Белоусов-Жаботинский реакциясының мінез-құлқын зерттейтін еңбектердегі ең қарапайым және сонымен бірге ең танымал механизмдердің бірі болып табылады:

I		A+Y		X
II		X+Y	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	П
III		B+X	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	2X+Z
IV		2 X	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	Q
В		З	⟶ (\displaystyle \longrightarrow )	f Y

Сәйкес қарапайым дифференциалдық теңдеулер жүйесі:

d [ X ] d t = k I [ A ] [ Y ] − k I I [ X ] [ Y ] + k I I I [ B ] [ X ] − k I V [ X ] 2 (\displaystyle (\frac (d[X]) )(dt))=k_(I)[A][Y]-k_(II)[X][Y]+k_(III)[B][X]-k_(IV)[X]^(2) ) d [ Y ] d t = − k I [ A ] [ Y ] − k I I [ X ] [ Y ] + f k V [ Z ] (\displaystyle (\frac (d[Y])(dt))=-k_( I)[A][Y]-k_(II)[X][Y]+fk_(V)[Z]) d [ Z ] d t = k I I I [ B ] [ X ] − k V [ Z ] (\displaystyle (\frac (d[Z])(dt))=k_(III)[B][X]-k_( V)[Z])

Бұл модель тәжірибе жүзінде байқалғанға ұқсас қарапайым тербелістерді көрсетеді, бірақ ол күрделі периодты және ретсіз тербеліс сияқты күрделірек тербеліс түрлерін көрсетуге қабілетсіз.

Жетілдірілген Орегонатор

Шоуалтер, Нойес және Бар-Эли моделі күрделі периодты және хаотикалық реакциялардың әрекетін модельдеу үшін әзірленген. Дегенмен, бұл модельде хаосқа қол жеткізу мүмкін болмады.

1		A+Y		X+P
2		X+Y	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	2P
3		A+X	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	2 Вт
4		C+W	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	X+Z»
5		2 X	↔ (\displaystyle \leftrightarrow )	A+P
6		Z"	→ (\displaystyle \оң жақ көрсеткі )	g Y + C

Қайда A (\дисплей стилі A)- BrO 3 − ; X (\displaystyle X)- HBrO 2; Y (\дисплей стилі Y)- Br − ; C (\дисплей стилі C)- Ce 3+; Z (\displaystyle Z)" - Ce 4+; W (\displaystyle W)- BrO 2; P (\displaystyle P)- HOBr.

Көптеген тербелмелі химиялық және биохимиялық реакциялардың ішінде ең танымалы - алғаш рет орыс ғалымы Б.П. ашқан реакциялар класы. Белоусов (1958).

Бұл реакцияларды зерттеуге де үлкен үлес қосқан А.М. Жаботинский, сондықтан әлемдік әдебиетте олар «БЗ-реакциялар» (Белоусов-Жаботинский реакциясы) деген атпен белгілі. Белоусов-Жаботинский реакциясы әрекеттесуші заттардың концентрацияларының кеңістікте біркелкі емес таралуын, патчтардың, спиральды толқындардың және басқа да автотолқындық процестердің таралуын қамтитын өзін-өзі ұйымдастыру процестерін зерттеудің негізгі үлгісі болды. Ол дүние жүзіндегі жүздеген зертханаларда әртүрлі пішіндегі ыдыстарда, арнада, кеуекті орталарда, әртүрлі әсерлер – температураның өзгеруі, жарық және радиация әсерінен зерттелген.

Б.П. зерттеген реакцияда. Белоусов, негізгі кезең - қышқылдық ортада бромат иондары BrO - 3 бар малон қышқылының тотығуы. Процесс Ce 3+ және Ce 4+ екі формасы бар церий катализаторының қатысуымен өтеді. Толық мәтінКітапта 1958 жылғы радиациялық медицина бойынша рефераттар жинағында (Белоусов 1958) жарияланған «Периодикалық әсер ететін реакция және оның механизмі» мақаласы берілген (Филд және Бургер 1988). Б.П Белоусов өзі ашқан реакцияны былай сипаттайды:

«Төмендегі реакция керемет, ол реакциялық қоспада жүзеге асырылған кезде белгілі бір ретпен реттелген бірқатар жасырын тотығу-тотықсыздану процестері жүреді, олардың біреуі бүкіл реакцияның түсінің айқын уақытша өзгеруімен мезгіл-мезгіл ашылады. қоспасы алынады. Түстің түссізден сарыға және керісінше ауыспалы өзгеруі, егер реакция ерітіндісінің құрамдас бөліктері белгілі бір мөлшерде және тиісті жалпы сұйылтуда қабылданған болса, шексіз (бір сағат немесе одан да көп) байқалады. Мысалы, келесі құрамдағы 10 мл су ерітіндісінде түсінің мерзімді өзгеруін байқауға болады: лимон қышқылы 2,00 г, церий сульфаты 0,16 г, калий броматы 0,20 г, күкірт қышқылы(1:3) 2,00 мл. Судың жалпы көлемі 10 мл».

Броматты йодатпен, лимон қышқылын малондық немесе бромомалон қышқылымен ауыстыру арқылы құрастырылған осы реакцияның аналогтарында тербеліс пен автотолқындық процестерді байқауға болады. Көптеген басқа өтпелі металдарды церийдің орнына катализатор ретінде пайдалануға болады. Фенантролинмен комплексті Fe ионынан тұратын ферроин-феррииндік жүйелер демонстрациялар үшін жиі пайдаланылады, өйткені Fe(II) → Fe(III) ауысуы қызылдан көкке дейін түстің өзгеруімен бірге жүреді. Ретінде органикалық қосылысең жиі қолданылатын малон қышқылы HOOCCH 2 COOH болып табылады.

Эксперимент

Қарқынды араластырумен жабық ыдыста қысқа индукция кезеңінен кейін концентрациялардың ауытқуы және . Типтік эксперименттік қисықтар суретте көрсетілген. 1 .

Күріш. 1.Платина электродынан (а) және бромид иондарының тогын жазатын электродтан (b) алынған эксперименттік бақылау көрсеткіштері. Реагенттердің бастапқы концентрациясы: = 6,25·10 -2 М; [малон қышқылы] = 0,275 М; = 2·10 -3 М. Электродтағы тербелістердің максималды амплитудасы 100 мВ, ол концентрацияның 100 есе өзгеруіне сәйкес келеді, тербеліс кезеңі шамамен 1 мин (Грей және Скотт, 1994).

Тербелістердің басталуы «қатты қозу» сипатына ие. Жүйе субкритикалық Андронов-Хопф бифуркациясынан өтеді. Платина электродында жазылған ион концентрациясының ауытқуы тұрақты амплитудаға ие. Бромды электрод амплитуданың ұлғаюын тіркейді, оның ең үлкен мәні екі реттік ион концентрациясының айырмашылығына сәйкес келеді, тербелістердің пішіні уақыт өте аздап өзгереді, период 1,5 сағаттан кейін 2 минутқа дейін ұзарады. Осыдан кейін тербелістердің амплитудасы бірте-бірте азаяды, олар біркелкі емес, өте баяу жоғалады.

Бақыланатын процестердің бірінші моделін А.М.Жаботинский ұсынған. Ол қарастырған реакция циклі екі кезеңнен тұрады. Бірінші кезең (I) үш валентті церийдің броматпен тотығуы:

Екінші кезең (II) төрт валентті церийдің малон қышқылымен тотықсыздануы:

I сатысында түзілген броматты қалпына келтіру өнімдері бромид MC. Алынған МК-ның бром туындылары -ның бөлінуімен жойылады. Бромид - күшті реакция ингибиторы. Өздігінен тербелмелі реакцияның схемасын келесідей сапалы сипаттауға болады. Жүйеде иондар болсын. Олар I реакцияның Y түрімен әрекеттесетін және жүйеден шығарылатын түзілімді катализдейді (II кезең). Егер концентрация жеткілікті жоғары болса, I реакциясы толығымен блокталады. II реакция нәтижесінде иондардың концентрациясы шекті мәнге дейін төмендегенде, концентрация төмендейді, осылайша I реакцияның бітелуін жояды. I реакциясының жылдамдығы артады, ал концентрация жоғарылайды. Жоғарғы шекті мәнге жеткенде, концентрация да үлкен мәндерге жетеді және бұл қайтадан блоктаушы реакцияға әкеледі I. Және т.б. (2-сурет).

Күріш. 2.Малон қышқылының (МА) тотығуының автокаталитикалық реакциясының схемасы.

Жергілікті модельдер. Уақыт бойынша реагент концентрацияларының әрекеті. Жаботинский үлгісі

Процесті сипаттау үшін В.М.Жаботинский ұсынған модель (Жаботинский, 1974) үш айнымалыны қамтиды: ион концентрациясы ( x), I сатыдағы автокатализатордың концентрациясы броматтың гипобромитке дейін тотықсыздануының аралық өнімі болып табылады ( ж) және I сатыдағы ингибитор бромидінің концентрациясы ( z).

Процесс диаграммасы келесідей ұсынылған:

Модель церий иондарының жалпы концентрациясы екенін ескереді тұрақты мән: + = бірге. Автокаталитикалық реакцияның жылдамдығы концентрацияға пропорционал деп есептеледі. Өлшемсіз концентрациялар моделі келесі формада болады:

Қайда к 1 = к 1 - к 3 және мүше к 6 (к 7 ж - к 8) 2 xшекті мәндер болатындай эмпирикалық түрде таңдалады xүлгідегі эксперименттік мәндерге сәйкес келді.

Реакция жылдамдығының константаларының иерархиясын ескере отырып, ауыстыруға мүмкіндік береді дифференциалдық теңдеуайнымалы үшін zалгебралық және өлшемсіз айнымалыларды енгізгеннен кейін екі теңдеу жүйесіне келу үшін:

Теңдеулерде (2) ε шағын параметр болып табылады, сондықтан діріл пішіні релаксация болып табылады. Жүйенің фазалық портреті суретте көрсетілген. 3а. Суретте. 3b-суретте Ce 4+ иондарының өлшемсіз концентрациясына сәйкес x айнымалысының тербелістері көрсетілген.

Күріш. 3. a - жүйенің фазалық портреті (2). Нүктелі сызық нөлдік изоклиндерді, қалың сызық шекті циклді көрсетеді. x- Ce 4+ иондарының өлшемсіз концентрациясы. ж- өлшемсіз автокатализатор концентрациясы жылдам айнымалы болып табылады. b - Ce 4+ иондарының концентрациясының кинетикасы - релаксациялық тербелістер. Н, М- ең кіші және ең жоғары мәнайнымалы, Т 1 , Т 2 – Се 4+ иондарының концентрациясының жоғарылау және кему уақыты. Т- тербеліс кезеңі (Жаботинский, 1974)

Белоусов-Жаботинский жүйесіндегі кеңістік-уақыттық режимдер

Джаботинский моделінің кемшілігі айнымалының болуы ж- ешбір нақтыға сәйкес келмейтін «автокатализатор». химиялық қосылыс. Кейіннен BZ реакциясының механизмін сипаттайтын бірнеше модельдер ұсынылды. Олардың ішіндегі ең танымалы 1972 жылы Филд, Корос және т.б. ұсынған реакция схемасы, жеті аралық өнімі бар 10 реакциядан тұрады. Кейінірек, Field and Noyes (Field. and Noyes 1974) Орегон университетінің (АҚШ) атымен «орегонатор» деп аталатын қарапайым схеманы ұсынды, онда ол әзірленді. Реакция схемасы келесідей көрінеді:

Мұндағы A, B - бастапқы реагенттер, P, Q - өнімдер, X, Y, Z - аралық қосылыстар: HBrO 2 - бромид, Br - бромид ионы және Ce 4+.

Модельде бастапқы реагенттердің концентрациясы тұрақты деп қабылданады. Реагенттердің концентрацияларына сәйкес келетін айнымалыларды кіші әріптермен белгілеп, олардың уақыт бойынша өзгеруінің теңдеулерін массалық әсер ету заңына сәйкес жазайық:

Тікелей реакциялардың жылдамдық константаларының сандық мәндерін авторлар эксперименттік мәліметтер бойынша бағалады. Олардың мағыналары:

[A] = [B] = 0,06 М; к 1 = 1,34 М/с, к 2 = 1,6·10 9 М/с, к 3 = 8·10 3 М/с, к 4 = 4·10 7 М/с (5) Стейхиометриялық коэффициент fжәне тұрақты к 5, реагентті тұтынуға байланысты параметрлер әртүрлі болды.

Oregonator үлгісін жазудың өлшемсіз формасы келесі пішінге ие:

Мұнда өлшемсіз концентрациялар берілген: x - , ж - , z- металл ионының концентрациясы, параметрі f 0 диапазонында қарастырылады< f< 2 (Field and Noyes, 1974).

Жүйе (6) нөлдік стационарлық күйге ие болуы мүмкін:

ол әрқашан тұрақсыз және бір оң стационарлық күй:

Бұл стационарлық күйдің тұрақтылығын талдау (Field and Noyes, 1974) шешім (8) тұрақтылығын жоғалтатын аймақты табуға мүмкіндік берді. Параметр жазықтығы үшін жүйенің бифуркация диаграммасы f,к 5 суретте көрсетілген. 4 а, суретте. 4 b-суретте айнымалының тербеліс формасы көрсетілген. Параметр мәндері суреттің түсіндірмесінде берілген.

Күріш. 4. a – Oregonator моделінің (17.4, 17.6) оң стационарлық ерітіндісінің (17.8) тұрақтылық (А) және тұрақсыздық (В) аймағы. b – айнымалының жоғары амплитудалық тербелістері x. Параметр мәндері: с= 77.27, q= 8,375·10 -6, w= 0.161 к 5 (Field and Noyes 1974).

Жүйедегі параметрлердің өзара байланысы айнымалылардың өзгеру сипатты уақыттарының иерархиясы болатындай. Суреттен. 4b да мұны көрсетеді x- дифференциалдық теңдеуді алгебралық теңдеумен ауыстыруға болатын жылдам айнымалы. (6) жүйенің бірінші теңдеуінің оң жағын нөлге теңеп, мынаны аламыз:

(9) теңдеуден аламыз xфункция ретінде ж:

(6) жүйенің екінші және үшінші теңдеулеріне (10) өрнекті қойып, екі теңдеуден келтірілген «орегонатор» моделін аламыз:

Жүйеде (11) тұрақты, үлкен амплитудалық шекті цикл бар, ал оның ішінде тұрақсыз, шағын амплитудалық шекті цикл (Rinzel және Troy, 1982).

Дәл осы (немесе соған ұқсас) формада Филд-Нойес теңдеулер жүйесін көптеген авторлар реакция-диффузия типті үлестірілген жүйенің жергілікті элементі ретінде зерттеген. Тәжірибеде BZ реакциясын байқау мүмкіндігіне байланысты әртүрлі түрлеріавтотолқын режимдері, жүйе параметрлеріне әсер етудің әртүрлі түрлерін модельдейтін модельдер (мысалы, мерзімді), режимдер екі өлшемді және үш өлшемді жүйелерде әртүрлі шекаралар болған кезде қарастырылды.

Суретте. 5-суретте (а, б, в, г) Белоусов-Жаботинский реакциясы кезінде Петри табақшасының бетіндегі әртүрлі типтегі режимдердің уақыт бойынша даму реттілігі көрсетілген. Белгілі болғандай, егер жүйенің жергілікті элементі тербелмелі қасиетке ие болса, бөлінген жүйежетекші орталықтарды (а), спиральды толқындарды (в), күрделі кеңістік-уақыттық үлестірімдерді (b, d) көрсете алады.

Күріш. 5.Белоусов-Жаботинский реакциясындағы әртүрлі кеңістіктік режимдер. Фигураның әрбір сериясы (a-d) уақыт бойынша процестердің дәйекті дамуын көрсетеді (Жаботинский, 1975)

Осы күрделі құрылымдардың уақыт пен кеңістікте дамуына сыртқы әсерлердің көмегімен әсер ету мүмкін бе деген сұрақ туындайды. Әсері реакция сферасына соңғы және аралық заттардың түсу жылдамдығын өзгертуден, тұрақты және мерзімді жарықтандырудың әртүрлі режимдерінен және жоғары энергиялы бөлшектермен радиоактивті сәулеленуден тұрады. Мұндай зерттеулердің үлкен практикалық мәні бар. Олар автотолқындық белсенділікті бақылау жолдарын табуға мүмкіндік береді және жүректің белсенді тініндегі спиральды толқындарға әсер ету режимдерін іздеуге көмектеседі, олардың ыдырауы фибрилляцияға әкеледі. Шынында да, белсенді орталардың алғашқы аксиоматикалық модельдерінде (18-дәрісті қараңыз) егер ортада спиральды толқын болса, оның «ұшының» белсенді аймақтың шекарасына шығуы оның әлсіреуіне әкелетіні анықталды. мұндай толқын (Иваницкий, Кринский және т.б. 1978). Белоусов-Жаботинский реакциясы толқындар динамикасын басқаруды зерттеу үшін жақсы тәжірибелік үлгі береді.

Әртүрлі сипаттағы әсерлерді зерттеу кезінде BZ реакциясының әртүрлі модификациялары қолданылады. Циклотроннан жоғары энергиялы α-бөлшектерінің әсері Ce 4+ қосылыстарының орнына фенантролинмен (фен) екі валентті темір Fe(II) кешені ферроин қолданылатын жүйеде зерттеледі. Ерітіндіні капиллярға сәулелендіру кезінде екі жалпақ толқындар, олар бөлінеді қарама-қарсы бағыттарсәулелену орталығынан. Петри табақшасында ерітіндіні сәулелендіру кезінде оның центрі ерітіндінің сәулеленген бөлігінде болатын концентрация толқыны пайда болады. Бүкіл реакция көлемінің толық сәулеленуінің әсерінен автотолқындық процестердің толық жойылуы байқалады (Лебедев, Приселкова және т.б. 2005).

Тәжірибелік мүмкіндіктер тұрғысынан, әсіресе жарық әсерінің әртүрлі хаттамаларын пайдалану, бүкіл реакция жүйесін немесе оның бір бөлігін тұрақты жарықтандыру, әртүрлі қарқындылықтағы тұрақты жарықтандыру, мерзімді жарықтандыру және т.б. пайдалану ыңғайлы. Жарық әсерінің көмегімен бақылау мүмкін болады. реакция катализаторы ретінде жарыққа сезімтал Ru иондарын қолданғанда bpy) 3 2+ . Әдетте, реакция силикон гелінің жұқа қабаты толтырылған Петри табақшасында жүзеге асырылады, оған BZ реакциясының жүруіне қажетті реагенттер қосылған. Мұндай жүйеде дивергентті спиральды толқындар байқалады, бірақ жіңішке лазер сәулесінің әрекеті алдыңғы жағында үзіліске және екі спиральды толқынның пайда болуына әкеледі (6-сурет) (Muller, Plesser et al. 1986; Muller, Markus). және т.б. 1988).

Күріш. 6.Қозғыш Белоусов-Жаботинский реакциялық ортаның жұқа қабатындағы спиральды толқындар, ұяшық көлемі 9 шаршы метр. мм. (Muller, Plesser және т.б. 1986)

Спиральды толқын ұшының траекториясын басқару

Зертханада проф. Штефан Мюллер (Германия, Магдебург университеті) толқындардың бірінің ұшын Петри табақшасының шекарасынан «ұзартуға» және кейіннен бір спираль толқынының эволюциясын, яғни «ұшты» байқауға мүмкіндік беретін әдісті әзірледі. кеңес) күрделі кеңістіктік қозғалыстарды жасайтын, траектория жарықтандыру режиміне байланысты (Грилл, Зыков және т.б., 1995).

Күріш. 7.Фотосезімтал BZ реакциясы үшін экспериментте алынған спиральды толқын ұшы траекторияларының екі түрі. Қозғалмаған траекторияның ортасынан (үзік сызық) өлшеу нүктесіне дейінгі қашықтық (крест) a - 0,49 мм, b - 0,57 мм (Грилл және т.б., 1995)

Тұрақты жарықтандыру кезінде ұшы төрт «жапырақшалары» бар циклоидты сипаттайды (7-сурет, нүктелі сызық). Жарық импульстерінің спиральды толқын ұшының траекториясына әсері зерттелді. Импульстар толқындық фронт белгілі бір нүктеге жеткен кезде (7-суретте крестпен белгіленген) немесе белгілі бір кешіктірумен жеткізілді.

Режимнің екі түрі байқалды. «Өлшеу нүктесі» бұзылмаған траекторияның центріне жақын болған жағдайда, біраз уақыттан кейін ұшының қозғалысы центрімен «өлшеу нүктесінде» асимптотикалық траекторияға келді, ал оның позициясы арасындағы қашықтық. ұшы және өлшеу нүктесі циклоидты контурдың өлшемдерінен аспады (сурет 7a ). Кері байланыстың болуы синхронизацияға әкелді - импульстік жарықтың әсер ету кезеңі спиральды толқынның ұшы циклоидтың бір циклін сипаттайтын уақытқа тең деп белгіленді.

Өлшеу нүктесі бұзылмаған траекторияның центрінен салыстырмалы түрде алыс болған жағдайда, спиральдың ұшы үлкен радиусы бар шеңбер бойымен 4 лобты циклоидтың дрейфі тәрізді траекторияны сипаттады, оның орталығы қайтадан орналасқан. «өлшеу нүктесінде». Екі режим де өлшеу нүктесінің аз орын ауыстыруларына қатысты тұрақты болып шықты, яғни олар аттракторлар. Ұқсас нәтиже, егер жарық импульсі толқынның өлшеу нүктесі арқылы өтетін сәтіне қатысты біршама кідіріспен қамтамасыз етілсе, алынады. Циклоид қозғалатын «үлкен шеңбердің» радиусы кешігу уақыты артқан сайын артады.

Тұрақты жарықтандырудың мерзімді модуляциясымен толқынның ұшының қозғалысы мен дрейфінің синхрондауы байқалады (7а-сурет). Процесті математикалық түрде сипаттау үшін модель пайдаланылды (Зыков, Стейнбок және т.б., 1994):

Міне, айнымалылар u, vЖәне wтиісінше HBrO 2, катализатор және бромид концентрацияларына сәйкес келеді. мүше ø үшінші теңдеуде Br - иондарының жарықпен индукцияланған ағынын көрсетеді, f, q- өлшемсіз параметрлер. Жеке реакциялардың жылдамдық константаларын бағалау жүйеде процестердің уақыт иерархиясының болуын көрсетеді:

έ <<ε<<1. (13)

Бұл теңсіздіктің орындалуы бромид концентрациясын есептеуге мүмкіндік береді w«өте жылдам айнымалы», осы айнымалы үшін теңдеудің оң жағын нөлге теңестіріңіз және баяу айнымалылардың концентрациясы бойынша оның квазистационарлық мәні үшін өрнекті табыңыз:

Бұл өрнекті (12) жүйенің бірінші және екінші теңдеулеріне қойып, реагенттердің диффузиясын ескере отырып, мұндай модификацияланған «орегонатор» моделі үшін реакция-диффузия типті жүйені аламыз:

Міне, айнымалылар uЖәне v HBrO 2 және катализатор концентрацияларына сәйкес келеді.

С.Мюллер және В.Зыков (Zykov, Steinbock және т. экспериментте байқалған режимдер қайта шығарылады (8-сурет).

Күріш. 8.Спираль толқынының ұшының траекториялары соққы амплитудасы А = 0,01 және жарық импульстерінің «басқару контурындағы» τ кешігу уақытының әртүрлі мәндері үшін (15) моделі бойынша есептелген. a - τ = 0,8; b - τ = 1,5 (Гриль, Зыков және т.б., 1995).

Күріш. 9.Параметрдің гармоникалық модуляциясының әртүрлі кезеңдерінде (15) модель бойынша есептеу тәжірибелері кезінде алынған спираль толқынының ұшының траекторияларының түрлері ø жарыққа сезімтал. Абсцисса осі модуляция кезеңін, ал ордината осі модуляция амплитудасын көрсетеді. Нүктелі сызықтар жүйенің табиғи тербеліс жиілігін әсер ету жиілігімен резонанстық «ұстап алу» орын алатын аймақтардың шекараларын көрсетеді. л/м- спиральды толқынның ұшы сипаттайтын ілмектер санының жарық әсерінің модуляция кезеңдерінің санына қатынасы. T 0 – сыртқы әсер болмаған кезде спираль ұшының айналуының ішкі кезеңі (Зыков, Стейнбок және т.б., 1994).

Модель сонымен қатар периодты жарық сәулесінің модуляциясының әртүрлі амплитудалары мен жиіліктеріндегі спираль толқын ұшының әрекетінің мүмкін режимдерін зерттеуге мүмкіндік береді. Траектория түрлерінің жалпы көрінісі күріште жинақталған. 9, жүйенің бұл түрінің жалпы теориясын В.И. Арнольд және осы мінез-құлық түрі байқалатын аймақтардың графиктері «Арнольд тілдері» деп аталады.

Белоусов-Жаботинский реакциясындағы автотолқындық процестердің үлгілік зерттеулері ми мен жүрек сияқты өмірлік маңызды органдардағы автотолқындық процестерді басқару мүмкіндіктерін зерттеуге маңызды үлес қосты. Кейінгі зерттеулерде бұл реакцияны қолдана отырып, спиральды толқындардың пайда болуын қоса алғанда, әртүрлі процестерді модельдеуге болатыны көрсетілді - кардиологтардың терминологиясында - миокардта пайда болуы миокардта фибрилляциямен және әртүрлі аритмия – қауіпті жүрек аурулары (10-сурет)

Күріш. 10.Иттің қарыншаларындағы үш өлшемді айналмалы құйын (қайта кіру) (а, б), модель (Алиев және Панфилов 1996) және Белоусов-Жаботинский реакциясында, тәжірибеде (в, г) (Алиев, 1994). Үш өлшемді модельдегі құйынның күрделі пішіні қарыншалық ортаның күрделі геометриясы мен анизотропиясынан туындайды.

BZ реакциясының эксперименттік және теориялық зерттеулері жарты ғасырдан астам уақыт бойы жалғасуда. Әртүрлі типтегі диссипативті құрылымдар, тербелмелі тұрақты шоғырлар, тұрақты толқындар, локализацияланған құрылымдар және басқалары эксперименталды түрде зерттеледі. Осы саладағы ғылымның қазіргі жағдайы Владимир Карлович Ванагтың монографиясында (IKI-RKhD баспасы, 2008) көрсетілген, ол бағдарламалық қамтамасыз ету және Белоусовта байқалған тамаша кеңістік-уақыт құрылымдарын жүзеге асыру мысалдары бар ықшам дискімен бірге берілген. -Жаботинский реакциясы және ұқсас жүйелер.

Әдебиет

Әлиев Р.Р. және Панфилов А.В. Жүрек қозуының қарапайым екі айнымалы моделі, хаос. Шешімдер және Фракталдар, 7(3), 293-301, 1996 ж

Field R., J., E. Koros және т.б. Химиялық жүйелердегі тербелістер. 2-бөлім. Бром-церий-малон қышқылы жүйесіндегі уақытша тербелістерді мұқият талдау. Дж. Ам. Че. Сок. 94, 8649-8664, 1972 ж

Өріс R.J. және Нойес Р.М. Химиялық жүйелердегі тербелістер. 4-бөлім. Нақты химиялық реакция моделіндегі шекті цикл әрекеті. Дж.Хим. Физ. 60, 1877-1944, 1974 ж

Грей П., Скотт С. Химиялық тербелістер мен тұрақсыздықтар. Сызықты емес химиялық кинетика/Химия бойынша монографиялардың халықаралық сериясы. v. 21. Кларендон Пресс, Оксфорд, 1994 ж

Гриль С., Зыков В.С., т.б. Спиральды толқындардың кері байланыспен басқарылатын динамикасы. Физикалық шолу хаттары 75(18), 3368-3371, 1995 ж.

Muller S.C., T. Plesser және т.б.. «Екі өлшемді спектрофотометрия және химиялық заңдылықтардың жалған түсті көрінісі». Натурвисс. 73>, 165-179, 1986 ж

Мюллер, С., М. Маркус және т.б.. Химия мен математикадағы динамикалық үлгіні қалыптастыру. Дортмунд, Макс-Планк институты. 1988

Зыков В.С., О.Стейнбок және т.б. «Спиральды толқындардың сыртқы күштері». Хаос 4(3), 509-516, 1994 ж

Әлиев Р.Р. Жүректің электрлік белсенділігін компьютерде модельдеу. Сенбі күні. Медицина информатика айнасындағы. 81-100 Б., М., Наука, 2008 ж

Белоусов Б.П. Периодты әсер ететін реакция және оның механизмдері. 1958 жылға арналған радиациялық медицина туралы рефераттар жинағы. М., б. 145, 1958 ж

Ванаг В.К. Реакциялық-диссипативті жүйелердегі диссипативті құрылымдар. Ред. IKI-RHD. М.-Ижевск, 2008 ж

Жаботинский А.М. «Концентрацияның өзіндік тербелісі». М., Наука, 1974 ж

Жаботинский A. M., Otmer H., Field R. Химиялық жүйелердегі тербелістер және қозғалатын толқындар. М., Мир, 1988 ж

Иваницкий Г.Р., Кринский В.И., Селков Е.Е.. Жасушаның математикалық биофизикасы. М., Наука, 1978 ж

Лебедев В.М., Приселкова А.Б., т.б.. «Энергиясы 30 МэВ альфа бөлшектер шоғырының әсерінен Белоусов-Жаботинский реакциясындағы жетекші орталықтардың бастамасы». Алдын ала басып шығару SINP MSU 31.797: 1-14. 2005)

Field, R., & Burger, M. (Ред.). Химиялық жүйелердегі тербелістер және қозғалатын толқындар. М., Мир, 1988 ж

Тақырып 2

MN-12: Марина Макарова, Юрий Лихачев, Иван Короткевич, Наталья Куцан, Екатерина Костюченкова, Ермовский Велор.

Тұжырымдаманы беріңіз

Тұжырымдаманы беріңіз

Энтропия

ақпарат

Жүйелік талдау негіздері

Жүйе, жүйелерді бөлу ережелері

Жүйе түрлері:

Біртекті – гетерогенді

Ашық – жабық

Тепе-теңдік – тепе-теңдік.

Термодинамиканың екінші заңы, оны термодинамика, космология, философия позицияларынан түсіндіру.

Энтропия молекулалық бұзылыстың өлшемі ретінде

Термодинамиканың екінші бастамасының статистикалық табиғаты

Термодинамиканың екінші заңы құрылымдардың бұзылуы мен бұзылуының күшею принципі ретінде

Әлемнің эволюциялық бейнесінің негізгі парадоксы: энтропияның жалпы өсуі фонындағы эволюция үлгісі

Ашық жүйенің энтропиясы: жүйедегі энтропия өндірісі, энтропия ішке және сыртқа ағып кетеді

Тіршіліктің термодинамикасы: қоршаған ортадан тәртіпті алу

Жердің термодинамикасы ашық жүйе ретінде

Тірі организмдердің неліктен тепе-теңдіксіз ашық жүйелер екенін негіздеңіз.

Тұжырымдаманы беріңіз

Сызықты емес

Бифуркация

Тұжырымдаманы беріңіз

Флуктуация

Өзін-өзі ұйымдастыру

Хаотикалық жүйелер дегеніміз не

Аттрактор туралы түсінік беріңіз

Қарапайым жүйелердегі өзін-өзі ұйымдастыру мысалдары: лазерлік сәулелену, Бенард жасушалары, Белоусов-Жаботинский реакциясы, спиральды толқындар.

Неліктен өзін-өзі ұйымдастыру құбылысы тек ашық, тепе-теңдіксіз жүйелерде мүмкін? Өзін-өзі ұйымдастырудың мәні. Жаңа тәртіптің пайда болуымен ашық тепе-теңдіксіз жүйелердің даму процесінің фазаларын анықтаңыз және диаграммасын құрыңыз.

Неліктен өзін-өзі ұйымдастыру теориясы әртүрлі пәндерде қолданылады (физика, химия, биология, экономика, саясат, психология.....)

Қазіргі жаратылыстануды ұйымдастыру принциптері.

1. Материяквантталған өрістердің жиынтығы, олардың кванты элементар бөлшектер (Бабаназарова О.В. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. 1-бөлім: оқу құралы/ Ярославль мемлекеті. университет. Ярославль, 2000)

Материя- бұл барлық салмақты, кеңістікті немесе жердегі барлық нәрселерді (тас, ағаш, ауа және т.б.); материалдылықтың, тәндіктің, сезімге бағынатынның барлығының жалпы абстрактілі концепциясы: рухани (психикалық және моральдық) қарама-қарсы (Владимир Далдың «Тірі ұлы орыс тілінің түсіндірме сөздігі).

Материя- бұл өзгермейтін, сезіммен қабылданатын физикалық құбылыстардың негізінде жатқан сол өшпейтін, өзгермейтін, тұрақты нәрсе (Брокгауз және Эфронның шағын энциклопедиялық сөздігі).

Энергия- (грек тілінен Energyeia - белсенділік) - механикалық, жылулық, электромагниттік, химиялық, гравитациялық, ядролық формалардағы қозғалыс пен өзара әрекеттесудің әртүрлі түрлерінің өлшемі (Горелов А.А. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. - М.: Орталық, 2002). 76-бет).

Энергия- скалярлық физикалық шама, ол материя қозғалысының әртүрлі формаларының біртұтас өлшемі және материя қозғалысының бір түрден екіншісіне ауысуының өлшемі (Жаратылыстану ғылымдарының сөздігі. Glossary.ru).

Энергия- материяның барлық түрлерінің қозғалысы мен өзара әрекеттесуінің жалпы сандық өлшемі (Ұлы Совет Энциклопедиясы).

2. Энтропия– бұл жүйенің ретсіздігінің, ұйымдаспауының өлшемі (Горелов А.А. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. – М.: Центр, 2002. 75 б.).

ақпарат– (латын тілінен informatio – танысу, түсіндіру) жүйені ұйымдастырудың өлшемі (Горелов А.А. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. – М.: Центр, 2002. 75 б.).

3. Жүйе- бөліктерден тұратын бүтін; бұл қандай да бір бүтін бірлікті құрайтын өзара байланысты элементтердің жиынтығы.

Жүйені бөлу ережелері:

Мақсат қою;

Берілген талдау деңгейінде бөлінбейтін деп саналатын элементтерді анықтау;

Элементтер арасындағы байланыстарды анықтау;

Элементтердің өзара әрекеттесуі және тұтастықты құрайтын композиция заңдылықтарын түсіну.

4. Жүйе түрлері:

I 1) Біртекті– бірдей элементтері бар жүйелер;

2) Гетерогенді – құрамдас элементтері әр түрлі табиғаттағы жүйелер.

II 1) Ашық– энергия, ақпарат, зат алмасуды жүзеге асыратын жүйелер;

2) Жабық– сырттан энергия алмайтын жүйелер.

III1 ) Тепе-теңдік– бір күйден екінші күйге өткенде энергия ағынын қажет ететін жүйелер; бұл ауысуды жүзеге асырған кезде жүйе энергияның, заттың немесе ақпараттың қосымша ағынынсыз айтарлықтай ұзақ уақыт бойы өз күйін сақтай алады;

2) Тепе-теңдіктің болмауы– энергияның бір бөлігі үнемі таралатындықтан, күрделілігін сақтау үшін энергияның, заттардың, ақпараттың тұрақты ағынын қажет ететін жүйелер.

(Горелов А.А. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. – М.: Орталық, 2002. 72-83 б.).

5. Табиғи процестер әрқашан тепе-теңдік күйге (механикалық, жылулық немесе кез келген басқа) жету үшін жүйеге бағытталған. Бұл құбылыс көрініс табады термодинамиканың екінші заңы, бұл жылуэнергетикалық машиналардың жұмысын талдау үшін де үлкен маңызға ие. Осы заңға сәйкес, мысалы, жылу тек температурасы жоғары денеден температурасы төмен денеге өздігінен ауыса алады. Кері процесті жүзеге асыру үшін біраз жұмысты жұмсау керек. Бірнеше барэквивалентТермодинамиканың екінші бастамасының тұжырымдары:

Клаузиус постулаты:«Процесс мүмкін емес, оның жалғыз нәтижесі жылуды суық денеден ыстық денеге беру болады»(бұл процесс деп аталады Клаузиус процесі).

Томсон постулаты:«Дөңгелек процесс мүмкін емес, оның жалғыз нәтижесі жылу қоймасын салқындату арқылы жұмыс жасау болады»(бұл процесс деп аталады Томсон процесі).

Термодинамика тұрғысынан бұл заңды келесідей түсіндіруге болады: 1) жылуды суық көзден ыстыққа ауыстыру жұмыс құнынсыз мүмкін емес;

2) жұмысты орындайтын және сәйкесінше термиялық резервуарды суытатын мерзімді жұмыс істейтін машинаны құрастыру мүмкін емес;

3) табиғат ықтималдығы аз күйлерден ықтималдығы жоғары күйлерге өтуге ұмтылады.

Басқаша айтқанда, термодинамиканың екінші заңы дененің барлық ішкі энергиясын пайдалы жұмысқа айналдыру мүмкін еместігін көрсете отырып, екінші текті мәңгілік қозғалыс машиналары деп аталатындарға тыйым салады.

Космология тұрғысынан бұл заңды келесідей түсіндіруге болады:

Егер біздің Ғалам оқшауланған (тұйық) жүйе болса, онда басқа жүйелермен энергия алмасу мүмкін емес. Ғалымдардың ешқайсысы біздің дүниеміздің оқшауланған жүйе екеніне күмәнданбады, бірақ содан кейін термодинамиканың екінші заңы бойынша энергияның барлық түрлері ақыр соңында жылуға айналуы керек, ол бүкіл жүйеде біркелкі таралады, яғни Ғалам келеді. жылу тепе-теңдік күйіне және барлық макроскопиялық ондағы қозғалыстар тоқтайды. деп аталатын ғаламның жылу өлімі. Көптеген адамдар бұл қайшылықты шешуге тырысты. Бұл тұжырымды Ғаламның шексіз бар болуымен сәйкестендіру үшін Больцман екінші заңның статистикалық сипатына байланысты ол дәл орындалмайды деп дәлелдеді. Ғаламның біршама үлкен аймағында флуктуация орын алып, ондағы энтропия төмендеді. Бұл құбылыс өте сирек болса да, Әлемнің шексіздігіне байланысты бізде оны күтуге шексіз уақыт бар. Әлемнің эволюциясы туралы әңгімеде көретініміздей, бұл пікірлерде теріс гравитациялық энергия ескерілмеді, өйткені Әлемнің кеңеюі әлі белгісіз. Энергияның сақталу заңын бұзбай, ауырлық күшінің теріс энергиясын ескере отырып, энергияның оң бөлігі ұлғаюы мүмкін екеніне және міндетті түрде пайда болатын энтропияның өсуіне әкеледі. Ғаламдағы процестердің әлсіреуіне әкелмейді.

Философиялық тұрғыдан бұл заңды келесідей түсіндіруге болады:

Тәртіп ешқашан, ешбір жағдайда хаостан өздігінен шыға алмайды. Басқаша айтқанда, кез келген жүйенің өздігінен асқынуы мүмкін емес.

Кириллин В.А. Техникалық термодинамика: ЖОО-ға арналған оқулық.- 4-бас., қайта өңделген.- М.: Энергоатомиздат, 1983 ж.

6. Жылудың жұмысқа және жұмыстың жылуға айналуы арасындағы сәйкессіздік табиғаттағы нақты процестердің біржақты бағытына әкеледі, бұл термодинамиканың екінші заңының физикалық мағынасын көрсетеді. белгілі бір функция деп аталады энтропия, анықталған молекулалық бұзылыстың өлшемі ретінде.

Энтропия –бұл жүйенің ретсіздігінің өлшемі, энергияның таралуының өлшемі, заттың байланысқан энергиясының мөлшерін өрнектеу формасы.

Термодинамиканың екінші заңына сәйкес, Әлемдегі барлық нақты процестер бірге жүруі керек энтропияның артуы. Энтропия, Больцман көрсеткендей, жүйедегі ретсіздік дәрежесін сипаттайды: ол неғұрлым көп болса, соғұрлым тәртіпсіздік үлкен болады.

Энтропияның ұлғаюының физикалық мағынасы мынадан келеді

оқшауланған бөлшектердің белгілі бір жиынтығынан (тұрақты энергиямен)

жүйе ең аз ретті күйге көшуге бейім

бөлшектердің қозғалысы. Бұл жүйенің ең қарапайым күйі немесе

бөлшектердің қозғалысы хаотикалық болатын термодинамикалық тепе-теңдік.

Максималды энтропия толық термодинамикалық тепе-теңдікті білдіреді, ол

хаосқа тең.

Алайда Пригожиннің өзгеру теориясына сүйене отырып, энтропия жай ғана емес

жүйенің ешқайсысы жоқ күйге үздіксіз сырғуы

ұйым болмады. Белгілі бір жағдайларда энтропия болады

тәртіптің бастаушысы.

(Горелов А.А. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. – М.: Орталық, 2002. 86-87 б.;

Кириллин В.А. Техникалық термодинамика: Университеттерге арналған оқулық.- 4-бас., қайта өңделген.- М.: Энергоатомиздат, 1983)

7 . Термодинамиканың екінші заңы статистикалық сипатқа ие (статистикалық сипатқа ие)яғни

бөлшектердің көп саны бар жүйелерге ғана қолданылады. Шынымен,

Мысалды қарастырайық: ыдыстың жартысында орналасқан газ, егер бөлік жойылса, оның бүкіл көлеміне біркелкі таралады. Бұл бірінші күйдің реттелгендігіне байланысты болады; газ ыдыстың бір немесе екінші жартысында болғанда, оған тек екі жолмен қол жеткізуге болады. Екінші күй, газ бүкіл көлемге біркелкі таралған кезде, ең кездейсоқ болып табылады, өйткені оған барлық газ молекулаларының жалпы энергиясын сақтай отырып, өзара қайта орналасуының арқасында көптеген жолдармен қол жеткізуге болады. мысалы, газдың құрамында ондаған бөлшектер болды, содан кейін тербелістерге байланысты олар кейде ыдыстың бір жартысында немесе екіншісінде жиналады. Дегенмен, бөлшектер санының ұлғаюымен бұл күйлер азырақ және сирек кездеседі және 10 22 ретті бөлшектердің санымен мұндай оқиға жай ғана керемет болар еді. Негізінде бұл орын алуы мүмкін, өйткені оның пайда болу ықтималдығы шексіз аз болса да, дәл нөлге тең емес.

(

8. Термодинамиканың екінші заңы Әлемдегі барлық нақты процестердің болуы керек екенін айтады құрылымдардың бұзылуы мен бұзылуының күшеюімен– энтропияның жоғарылауымен.

Термодинамиканың екінші бастамасының дәлірек тұжырымы қажет

көру: Тұрақты энергиясы бар жүйелерде өздігінен жүретін процестер кезінде энтропия әрқашан артады.

Тепе-теңдік күйінде ол максималды болады. Энтропия, Больцман көрсеткендей, жүйедегі ретсіздік дәрежесін сипаттайды: ол неғұрлым көп болса, соғұрлым тәртіпсіздік үлкен болады. Енді тепе-теңдік жылу энергиясы жұмысты орындау үшін пайдасыз екені анық болды, өйткені ол ең ретсіз. Табиғаттағы барлық табиғи процестер неліктен энергияның бөлінуімен байланысты екені түсінікті болады. Өйткені, ол тәртіпсіздікті арттырады.

(Кириллин В.А. Техникалық термодинамика: Университеттерге арналған оқулық.- 4-бас., қайта өңделген.- М.: Энергоатомиздат, 1983)

9.Эволюция- уақыт өте келе болатын, объектілердің сапа деңгейі мен ұйымдастырылу дәрежесінің жоғарылауына әкелетін қатаң, үздіксіз жетілдіру ретінде көрінетін объективті өзгеріс және осының негізінде - олардың белгілі бір жағдайларда сәтті бейімделуі және тиімді жұмыс істеуі.

Эволюция- бұл тірілердің қарсы тұру тәсілі энтропия, өсіп келе жатқан хаос пен тәртіпсіздік. Ол әртүрлі инновацияларды тудырады, бірақ табиғи сұрыптау организмдерге әрі қарайғы өзгерістерге төзімділік беретіндерді ғана сақтайды, олардың көшірмелерін ұрпақтардың ұзақ тізбегінде, іс жүзінде өзгермей көбейтуге мүмкіндік береді. Біртүрлі көрінгенімен, эволюция өзіне қарсы әрекет етеді екен.

Біз эволюция жаңа, күрделірек және мінсіз нәрсені жасау екеніне үйреніп қалдық. Бірақ шын мәнінде эволюция жаңа нәрселерді ғана емес, сонымен қатар одан әрі өзгерістерге қарсы тұратын жаңа нәрселерді жасау болып табылады. Бір таңқаларлығы, энтропияға қарсы тұра отырып, эволюция шын мәнінде осы энтропиямен қозғалады. Осылайша, ағзалар мутациялардан құтыла алмайды - тұқым қуалайтын ақпаратты ата-анадан ұрпаққа беру механизміндегі сәтсіздіктер. Мутациялар, сайып келгенде, организмдердің өлуіне және түрлердің жойылуына әкеледі. Бірақ таң қалдыратыны, бұл табиғи деструктивті процесс кезінде (энтропияның ерекше көрінісі) инновациялар кездейсоқ пайда болады, олар қайтадан кездейсоқ деградацияға төзімді болып шығуы мүмкін. Олар іріктеу арқылы сақталады. Бір кездері генетикалық код осылай пайда болды (бұл барлық ағзалар үшін әмбебап екені таңқаларлық емес!) және организмдердің қоршаған орта материалынан көшірмелерін қайта жасау механизмі, хромосомалардың диплоидтық жиынтығы және жыныстық көбею осылай пайда болды, осылайша қамқорлық. ұрпақтары және жануарлардың мінез-құлқының басқа да күрделі нысандары пайда болды (және біздің мәдениетімізде). Бір сөзбен айтқанда, организмдердің Жер бетінен жоғалып кетпей, ұрпақ болып көбеюіне мүмкіндік беретін барлық нәрсе осылай қалыптасты.

10 . Ашық жүйелерде бар энтропияның үш ағыны.

Бірінші ағын - бұл жабық жүйелердегі сияқты әрқашан өсетін өзіндік энтропия.

Екінші ағын - жүйеден сыртқы ортаға шығарылатын экспортталған энтропия (шығыс ағыны). Бұл ағын қысқаша энтропия экспорты деп аталады.

Үшінші ағын – сыртқы ортадан жүйеге түсетін импорттық энтропия (кіріс ағыны).

Ашық жүйенің нәтижелі энтропиясы осы үш ағынның арасындағы қатынасқа байланысты және кез келген жолмен әрекет етуі мүмкін: өсу, кему немесе тұрақты. Егер энтропия тұрақты болса, онда жүйе стационарлық режимде деп аталады.

(А.П. Садохин Қазіргі жаратылыстану концепциялары. М., 2005)

11 . Жер бетіндегі организмдер үшін жалпы энергия алмасуды фотосинтезде СО2 және Н2О-дан күрделі көмірсулар молекулаларының түзілуі, содан кейін тыныс алу процестерінде фотосинтез өнімдерінің ыдырауы ретінде жеңілдетуге болады. Дәл осы энергия алмасуы жеке организмдердің өмір сүруін және дамуын қамтамасыз етеді - энергия айналымының буындары. Жалпы Жердегі өмір де солай.Осы тұрғыдан алғанда, тірі жүйелердің тіршілік әрекеті процесінде энтропиясының төмендеуі, сайып келгенде, фотосинтездеуші организмдердің жарық кванттарын жұтуымен байланысты, алайда бұл өте компенсацияланғандан көп. Күннің тереңдігінде оң энтропияның пайда болуы арқылы.Басқаша айтқанда, тірі организмдер қоршаған ортадан тәртіпті шығарады.

Бұл принцип сонымен қатар «теріс» энтропия ағынын тасымалдайтын қоректік заттардың сырттан жеткізілуі сыртқы ортаның басқа бөліктерінде олардың түзілуі кезінде оң энтропия өндірісімен байланысты болатын жеке организмдерге де қатысты. жүйе организміндегі энтропияның жалпы өзгерісі + сыртқы орта әрқашан оң.

Термодинамикалық тепе-теңдікке жақын стационарлық күйдегі ішінара тепе-теңдіктегі ашық жүйеде тұрақты сыртқы жағдайларда ішкі қайтымсыз процестердің әсерінен энтропияның өсу жылдамдығы нөлден тыс тұрақты минималды оң мәнге жетеді.

diS/dt => Амин > 0

Бұл минимум энтропияның өсу принципі немесе Пригожин теоремасы тепе-теңдікке жақын ашық жүйедегі өздігінен болатын өзгерістердің жалпы бағытын анықтауға арналған сандық критерий болып табылады.

Бұл шартты басқаша көрсетуге болады:

d/dt (diS/dt)< 0

Бұл теңсіздік стационарлық күйдің тұрақтылығын көрсетеді. Шынында да, егер жүйе стационарлық күйде болса, онда ол ішкі қайтымсыз өзгерістерге байланысты одан өздігінен шыға алмайды. Қозғалмайтын күйден ауытқыған кезде жүйеде ішкі процестер жүріп, оны стационарлық күйге қайтару керек, бұл Ле Шателье принципіне – тепе-теңдік күйлерінің тұрақтылығына сәйкес келеді. Басқаша айтқанда, стационарлық күйден кез келген ауытқу энтропия өндірісінің жылдамдығын арттырады.

Жалпы тірі жүйелер энтропиясының төмендеуі сырттан сіңірілген қоректік заттардың ыдырауы кезінде бөлінетін бос энергия есебінен немесе күн энергиясының әсерінен болады. Сонымен бірге бұл олардың бос энергиясының артуына әкеледі. Осылайша, теріс энтропия ағыны ішкі деструктивті процестерді және өздігінен жүретін метаболикалық реакциялардың салдарынан бос энергияның жоғалуын өтеу үшін қажет. Негізінде біз бос энергияның айналымы мен түрленуі туралы айтып отырмыз, соның арқасында тірі жүйелердің жұмысына қолдау көрсетіледі.

12. Ашық жүйе ретінде Жердің термодинамикасы екі фактордың әсерінен пайда болады:

Сыртқы ортаның әсерінен

Жүйенің өзінде өзгерту

Осы факторларды біле отырып, біз энтропияның өзгеру жылдамдығын есептей аламыз

dS/dt = d e S/dt + d i S/dt.

Алынған өрнек жүйе энтропиясының өзгеру жылдамдығы dS/dt жүйе мен қоршаған орта арасындағы энтропия алмасу жылдамдығына плюс жүйе ішіндегі энтропияның пайда болу жылдамдығына тең екенін білдіреді.

Қоршаған ортамен энергия алмасу процестерін ескеретін d e S/dt термині оң да, теріс те болуы мүмкін, сондықтан d i S > 0 болғанда жүйенің жалпы энтропиясы не артуы, не кемуі мүмкін.

Теріс мән d e S/dt< 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:

dS/dt< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >d i S/dt.

Сонымен, оң энтропияның пайда болуымен сыртқы ортаның басқа бөліктерінде конъюгаттық процестер жүруіне байланысты ашық жүйенің энтропиясы төмендейді.

(С.Х. Карпенков Қазіргі жаратылыстану концепциялары.-М.: 2002)

13. Ашық жүйелер қоршаған ортамен, оның ішінде басқа жүйелермен зат және энергия алмасуымен сипатталады, ал жабық жүйелер үшін мұндай алмасу жоқ. Жабық жүйелер іс жүзінде жоқ, бұл зерттеу мәселелерін шешуге арналған белгілі бір идеализация әдісі. Тепе-теңдіксіз жүйе жаңа күйге жету үшін энергияны үнемі беру қажеттілігімен сипатталады, өйткені энергия үнемі таралады; бұл жағдай тепе-теңдіктен алыс. Өсімдік, жануар немесе адам гетерогенді, ашық, тепе-теңдіксіз химиялық жүйенің таңғажайып мысалы болып табылады. Тұрақсыз тепе-теңдікте. Олар энтропиясы өте төмен ықтималдығы өте төмен құрылым.Бұл тұрақсыздық әсіресе өлім болған кезде айқын көрінеді.

(Бабаназарова О.В. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. 1-бөлім: оқу құралы / Ярославль мемлекеттік университеті Ярославль, 2000 ж. в 19-20).

14. Сызықты емес– құбылыстарды сипаттайтын дифференциалдық теңдеулердің бірнеше шешімі бар (Бабаназарова О.В. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. 1-бөлім: оқу құралы / Ярославль мемлекеттік университеті, 2000. 43-бет).

Бифуркация– белгілі бір нүктедегі жүйенің траекториясында тармақталу, бифуркация (Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Қазіргі жаратылыстану концепциялары: оқу құралы – М.: жоғары мектеп, 1998. 366 б.)

Бифуркация– (латын тілінен Bifurcus – екіқабатты) – динамикалық жүйенің оның параметрлерінің аздаған өзгеруімен қозғалыстары арқылы жаңа сапаға ие болуы, жүйе күйінің күрт өзгеру нүктесі.

(Бабаназарова О.В. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. 1-бөлім: оқу құралы / Ярославль мемлекеттік университеті Ярославль, 2000. 42 б.)

15. Флуктуация– жүйенің тепе-теңдік күйден кездейсоқ ауытқуы (Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Қазіргі жаратылыстану концепциялары: оқу құралы – М.: Высшая школа, 1998. 380 б.)

Өзін-өзі ұйымдастыру– дамуында критикалық күйге жеткен тепе-теңдіксіз жүйені бастапқымен салыстырғанда күрделілігі мен реттілігі жоғарырақ жаңа тұрақты күйге ауыстыратын табиғи секіріс тәрізді процесс.(Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. қазіргі жаратылыстану: оқу құралы – М.: Жоғары мектеп, 1998. 378 б.)

16 .Хаотикалық жүйелер- бұл ең әлсіз тербелістерге аса сезімтал жүйелер; бұл болжау мүмкін емес жүйелер.

17 .Тартқыш– мақсат ұғымына жақын. Жүйе қозғалысының барлық траекторияларын тартатындай көрінетін жүйенің салыстырмалы түрде тұрақты күйі. Егер жүйе аттрактор конусына түссе, онда ол сөзсіз осы салыстырмалы тұрақты күйге дамиды

(Бабаназарова О.В. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. 1-бөлім: оқу құралы / Ярославль мемлекеттік университеті Ярославль, 2000. 25 б.).

18. Қарапайым жүйелердегі өзін-өзі ұйымдастыру мысалдары: лазерлік сәулелену, Бенард жасушалары, Белоусов-Жаботинский реакциясы, спиральды толқындар.

Лазерлік сәулеленудің пайда болуы қарастырылады уақытша мысалөзін-өзі ұйымдастыруҮздіксіз лазер - қозған бөлшектер (атомдар, молекулалар) және электромагниттік режимдер арқылы түзілген жоғары тепе-теңдіксіз ашық жүйе. резонатордағы өрістер. Бұл жүйенің тепе-теңдігі сырттан үздіксіз энергия ағыны арқылы сақталады. когерентсіз көз (сорғы). Сорғылардың төмен қарқындылығында жүйенің сәулеленуі бір-бірімен фазаланбаған толқындық пойыздардан тұрады. Сорғы қарқындылығының белгілі бір шекті мәнге дейін ұлғаюымен жүйенің сәулеленуі когерентті болады, яғни. толқындардың фазалары макроскопиялық түрде қатаң корреляцияланатын үздіксіз толқындық пойызды білдіреді. эмитенттен қашықтық. Бұл когерентті тербелістердің генерациясына көшу деп түсіндіруге болады өзін-өзі ұйымдастыру

H. Бенард жасушалары. Құрылымның пайда болуының классикалық мысалы - Бенард конвективті жасушасы. Тегіс түбі бар қуырғыш табаға минералды май құйып, анық болу үшін кішкене алюминий үгінділерін қосып, қыздыруды бастасаңыз, біз өздігінен ұйымдастырылатын ашық жүйенің жеткілікті анық үлгісін аламыз. Температураның шамалы айырмашылығымен мұнайдың төменгі қабатынан жоғарғы жағына жылудың берілуі тек жылу өткізгіштікке байланысты болады, ал мұнай типтік ашық хаотикалық жүйе болып табылады. Бірақ мұнайдың төменгі және жоғарғы қабаттары арасындағы белгілі бір сыни температура айырмашылығында 1-суретте көрсетілгендей онда алтыбұрышты призмалар (конвективті жасушалар) түрінде реттелген құрылымдар пайда болады.

1-сурет.

Ұяшықтың ортасында май жоғары көтеріледі, ал шеттерінде ол төмен түседі. Алтыбұрышты призманың жоғарғы қабатында ол призманың ортасынан оның шетіне, төменгі қабатында шеттерінен ортасына қарай жылжиды. Айта кету керек, сұйықтық ағындарының тұрақтылығы үшін қыздыруды реттеу қажет және бұл өздігінен жүреді. Жылу ағындарының максималды жылдамдығын қолдайтын құрылым пайда болады. Жүйе қоршаған ортамен жылуды ғана алмасатындықтан және стационарлық күйде (T1 кезінде) ол қанша жылу берсе, сонша жылу алады (T2 кезінде).< Т1), то

S=(Q/T1)-(Q/T2)< 0, т.е. внутренняя структура (или самоорганизация) поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии, или негэнтропии из окружающей среды. Подобные конвективные ячейки образуются в атмосфере, если отсутствует горизонтальный перепад давления.

Белоусов-Жаботинский реакциясы.Химиялық сағат. Химиялық жүйелердегі өзін-өзі ұйымдастыру реакцияның жалғасуын қамтамасыз ететін сырттан жаңа заттардың түсуімен, қоршаған ортаға қалдық заттардың шығуымен байланысты.

2-сурет

Мұндай реакцияларды 20 ғасырдың 50-жылдарында кеңес ғалымдары Б.Белоусов пен А.Жаботинский алған. Алайда олар алған нәтижелердің ерекше болғаны сонша, ғалымдар оларды ұзақ уақыт жариялай алмады. Тек 80-жылдары ғана олар таныла бастады. Белоусов-Жаботинский реакциясының мәні органикалық қышқылдың калий бромидімен тотығуында.Тотығу-тотықсыздану реакцияларының индикаторын (ферроин) қосу арқылы ерітіндінің түсін мезгіл-мезгіл өзгерту арқылы реакцияның жүруін бақылауға болады. Сырттай өзін-өзі ұйымдастыру сұйық ортада концентрлік толқындардың пайда болуымен немесе ерітінді түсінің көк түстен қызылға және керісінше кезеңді түрде өзгеруімен көрінеді (2-сурет). Бұл тербелмелі процесс сыртқы араласусыз бірнеше ондаған минут ішінде жүреді және «химиялық сағат» деп аталады.

Айта кету керек, тербелістер тепе-теңдік күйлерден алыс тұрақсыз стационарлық күйдің айналасында болады. (Тұрақты стационарлық күйлердің жанында мұндай мерзімді тербелістер мүмкін емес.)

Спиральды толқындар.Синергетикада (диссипативті жүйелер теориясы) ең іргелі фактор энергияның диссипациясы бар белсенді ортада спиральды автотолқындық құрылымдардың өздігінен ұйымдастырылуы болып табылады. Спиральды толқындар біртекті қозғыш ортадағы элементар өзін-өзі қамтамасыз ететін құрылымдардың негізгі түрін білдіреді. Мұндай орта дәл физикалық вакуум болып табылады. Сондықтан материяның элементар бөлшектері міндетті түрде онда өздігінен және дәлірек айтқанда, тек спиральді автотолқындар түрінде ұйымдасуға мәжбүр болды. Бұл сондай-ақ ортақ негізгі үлгілер арқылы көрсетіледі элементар бөлшектержәне спиральды толқындар:

элементар бөлшектердің корпускулярлық-толқындық табиғаты (олар, спиральды толқындардың ядролары сияқты, кеңістіктік координаталары бар);

бөлшектердің де, спиральды толқындардың да бірлескен әрекеті;

қозғалыс инерциясының болуы (элементар бөлшектерде де, спиральды автотолқынды құрылымдық элементтерде де);

соқтығысқан кезде аннигиляцияның болуы (элементар бөлшектерде де, антибөлшектерде де, жинақталған және диверсиялық спиральды толқындарда да);

әрекет квантының орындалу уақыты мен кеңістігінде белгісіздіктің болуы (әрекет квантын алып жүретін кез келген спиральдық бұрылыстың басы мен аяқталуын анықтау, демек, дүниенің координата ларын дәл анықтау түбегейлі мүмкін емес әрекеттің орындалу нүктелері);

спиральдық толқындардың терминалдық локальдық шөгулерін теріс электрлік элементар зарядтар, ал олардың бастапқы жергілікті көздерін оң элементар зарядтар ретінде түсіндіру мүмкіндігі;

электронның айналуымен байланысты емес өзіндік бұрыштық импульсі бар (спиральды толқынның бұрылыстарының радиалды қозғалысы қатаң логарифмдік спиральдың айналу әсеріне ұқсас);

элементар бөлшектерде оң және теріс айналдыру мәндерінің болуы (оң және солға бұралған спиральдарға ұқсас);

атомдағы электронның орбиталық толқынның пайда болуы (спиральді толқындар арқылы қарапайым құйынды сақиналардың түзілуіне ұқсас);

жалғыз кварктың да, жалғыз бұралған құйынды сақинаның да болуының мүмкін еместігі;

кварктарда да, бір-бірімен біріктірілген бұралған құйынды сақиналарда да асимптотикалық еркіндіктің болуы (өзара әрекеттесу күштері оларды бөлуге әрекет жасағанда ғана пайда болады);

рұқсат етілген элементар бөлшектер мен үш өлшемді спиральды құрылымдардың санын шектейтін топологиялық тыйымдардың ұқсастығы;

жоғары иерархиялық деңгейдегі құрылымдарға өзін-өзі ұйымдастыруға қабілетсіз қарапайым бөлшектердің де, үш өлшемді спиральды құрылымдардың да өте қысқа өмір сүру ұзақтығы.

M. Eigen. Заттың өздігінен ұйымдастырылуы және биологиялық макромолекулалардың эволюциясы. М. «Мир», 1973 ж.

Дубнищева Т.Я. Қазіргі жаратылыстану концепциялары. - Новосибирск: UKEA, 1997 ж.

19. Неліктен өзін-өзі ұйымдастыру құбылысы тек ашық, тепе-теңдіксіз жүйелерде мүмкін? Өзін-өзі ұйымдастырудың мәні. Жаңа тәртіптің пайда болуымен ашық тепе-теңдіксіз жүйелердің даму процесінің фазаларын анықтаңыз және диаграммасын құрыңыз.

ӨЗІН-ӨЗІ ҰЙЫМДАСТЫРУ-тепе-теңдігі жоғары емес ашық жүйелерде (физикалық, химиялық, биологиялық және т.б.) реттелген кеңістіктік немесе уақыттық құрылымдардың өздігінен (сыртқы ұйымдастырушылық әсерлерді қажет етпейтін) қалыптасуы.

Жүйеге түсетін энергияның немесе заттардың үздіксіз ағындары оны тепе-теңдіктен алыс күйде ұстайды. Мұндай жағдайларда жүйеде өзіндік (ішкі) тұрақсыздықтар (тұрақсыз мінез-құлық аймақтары) дамиды, оның дамуы өзін-өзі ұйымдастыру болып табылады.

Өзін-өзі ұйымдастыру жүйенің күйін өзгерту мүмкіндігін білдіреді және әсер ету тек қана әсер етуі мүмкін. ашық жүйетек тепе-теңдік жоқ жүйе ғана өзгеруге және дамуға қабілетті. Мұндай жүйелер ішкі жүйе элементтерінің әсеріне сезімтал. Демек, өзіндік ұйымдасу құбылысы тек ашық, тепе-теңдіксіз жүйелерде ғана мүмкін.

Ашық тепе-теңдік емес жүйелер эволюциясының фазалары:

сызықтық заңдылықтар бойынша даму (гомеостазды сақтау, болжамдылық, сыртқы және ішкі өзара әрекеттесу нәтижесінде кездейсоқ әсерлерді сезіну қабілеті. Демек, тепе-теңдік күшейеді. Элементтер арасындағы байланыстар үзіледі. Бұл күйде 2 фазаға өту мүмкін)

бифуркация нүктесі (бифуркация) Жүйе күтпеген, сызықты емес әрекет етеді. Бифуркация нүктесінде жүйе өзінің өткенін есіне түсірмейді. Даму жолы таңдалып, жаңа құрылым қалыптасады.

Өзін-өзі ұйымдастыру кезінде жаңа құрылымдар пайда болады, тәртіп күшейеді, жүйенің бос энергиясы артады, энтропия төмендейді.

(Николис Г., Пригожин И., Тепе-тең емес құрылымдардағы өзін-өзі ұйымдастыру, транс. ағылшын тілінен, М., 1979)

Белоусов-Жаботинский реакциясы

Белоусов-Жаботинский реакциясы

Белоусов-Жаботинский реакциясында ферроинмен реакциялық қоспаның түсінің өзгеруі

Белоусов-Жаботинский реакциясы- реакциялық ортаның күрделі кеңістік-уақыттық құрылымын құрайтын кейбір реакция параметрлері (түсі, компоненттерінің концентрациясы, температура және т.б.) периодты түрде өзгеретін тербелмелі режимде жүретін химиялық реакциялар класы.

Қазіргі уақытта бұл атау механизмі бойынша ұқсас, бірақ қолданылатын катализаторлар (Ce 3+, Mn 2+ және Fe 2+, Ru 2+ комплекстері), органикалық қалпына келтіретін агенттер (малон қышқылы, бромомалон) бойынша ерекшеленетін өзара байланысты химиялық жүйелердің тұтас класын біріктіреді. қышқыл, лимон қышқылы, алма қышқылы және т.б.) және тотықтырғыштар (броматтар, йодаттар және т.б.). Белгілі бір жағдайларда бұл жүйелер тәртіпті периодтыдан хаотикалық тербелістерге дейінгі мінез-құлықтың өте күрделі формаларын көрсете алады және сызықты емес жүйелердің әмбебап заңдарын зерттеудің маңызды объектісі болып табылады. Атап айтқанда, дәл Белоусов-Жаботинский реакциясында химиялық жүйелердегі алғашқы тәжірибелік оғаш аттрактор байқалды және оның теориялық болжамды қасиеттері эксперименталды түрде тексерілді.

Ұжымдық монографияда Б.П.Белоусовтың тербелмелі реакцияның ашылу тарихы, оның эксперименттік зерттеулері және көптеген аналогтары, механизмін зерттеу, математикалық модельдеу, тарихи маңызы берілген.

Ашылу тарихы

Петри табақшасында жұқа қабатта Белоусов-Жаботинский реакциясы кезінде пайда болатын кейбір конфигурациялар

Реакция механизмі

Жаботинский бірінші реакция механизмін және тербелмелі мінез-құлықты көрсетуге қабілетті қарапайым математикалық модельді ұсынды. Кейіннен механизм кеңейтілді және нақтыланды, эксперименталды түрде бақыланатын динамикалық режимдер, соның ішінде хаотикалық режимдер теориялық есептелді және олардың экспериментке сәйкестігі көрсетілді. Толық тізімРеакцияның элементарлы сатылары өте күрделі және ондаған заттар мен аралық заттармен жүзге жуық реакцияны құрайды. Осы уақытқа дейін егжей-тегжейлі механизм, әсіресе реакция жылдамдығының тұрақтылары белгісіз.

Реакцияның ашылу мәні

Белоусов-Жаботинский реакциясы ғылымдағы ең танымал химиялық реакциялардың біріне айналды, оны көптеген ғалымдар мен әртүрлі адамдардан тұратын топтар зерттейді. ғылыми пәндержәне бүкіл әлем бойынша бағыттар: математика, химия, физика, биология. Оның көптеген аналогтары әртүрлі химиялық жүйелерде ашылды (мысалы, қатты фазалық аналогты қараңыз - өздігінен таралатын жоғары температуралық синтез). Мыңдаған мақалалар мен кітаптар жарық көрді, көптеген кандидаттық және докторлық диссертациялар қорғалды. Реакцияның ашылуы шын мәнінде қазіргі ғылымның синергетика, динамикалық жүйелер теориясы және детерминирленген хаос сияқты салаларының дамуына серпін берді.

да қараңыз

Ескертпелер

Сілтемелер

1. Химиялық жүйелердегі өздігінен тербеліс процестерінің ашылуы мен зерттелу тарихынан: Белоусов-Жаботинский реакциясының ашылуының 50 жылдығына
2. Б.П.Белоусов және оның тербелмелі реакциясы, «Білім – күш» журналы
3. Белоусов Джаботинский және Бриггс Раушер реакцияларының схемалары, дифференциалдық теңдеулер
4. В.А.Вавилин. Сұйық фазалық химиялық жүйелердегі өзіндік тербеліс
5. Печенкин А.А. Тербелмелі химиялық реакциялардың дүниетанымдық маңызы
6. Химиялық жүйелердегі тербелістер және қозғалатын толқындар. Ред. Р.Филд және М.Бургер. М., «Мир», 1988 / Химиялық жүйелердегі тербелістер және қозғалатын толқындар. Ред. R.J.Field және M.Burger жазған. 1985 жылы Джон Уайли және ұлдары, Inc. (ағылш.)/

Викимедиа қоры. 2010.

• Нокс, Джон
• Colt

Басқа сөздіктерде «Белоусов-Жаботинский реакциясы» не екенін қараңыз:

Белоусовтың реакциясы- Белоусов-Жаботинский реакциясындағы ферроинмен реакциялық қоспаның түсінің өзгеруі Белоусов-Жаботинский реакциясы - тербелмелі режимде жүретін химиялық реакциялар класы, онда кейбір реакция параметрлері (түс, концентрация ... Wikipedia)

Белоусов-Жаботинский реакциясы

Бриггс-Раушер реакциясы- («йод сағаты») өздігінен тербелетін химиялық реакция. Сутегі асқын тотығы, йод қышқылы, марганец (II) сульфаты, күкірт және малон қышқылдары және крахмал өзара әрекеттескенде, түссіз алтын көк ауысулармен тербелмелі реакция жүреді.... ... Wikipedia

Бриггс-Раушер реакциясы- («йод сағаты») өздігінен тербелетін химиялық реакция. Сутегі асқын тотығы, йод қышқылы, марганец (II) сульфаты, күкірт және малон қышқылдары және крахмал өзара әрекеттескенде, түссіз алтын түстес көк ауысулармен тербелмелі реакция жүреді.... ... Уикипедия - Мазмұны 1 Жаботинский Корзухин үлгісі 2 Брюсселатор 3 Орегонатор ... Уикипедия

Тербелмелі реакциялар- Белоусов-Жаботинский реакциясындағы ферроинмен реакциялық қоспаның түсінің өзгеруі Белоусов-Жаботинский реакциясы - тербелмелі режимде жүретін химиялық реакциялар класы, онда реакцияның кейбір параметрлері (түсі, компоненттерінің концентрациясы ... Wikipedia)

Белоусов, Борис Павлович- Борис Павлович Белоусов Сурет 1930 ж. Туған күні: 7 (19) ақпан 1893 (1893 02 19) Туған жері: Мәскеу ... Википедиядан алынған.