Взаимодействие тел

Теперь пора вновь обратиться к главному эволюционному макроряду (24) и подвести некоторые итоги. Обсуждению первого наипростейшего макроявления ряда, или парена, посвящены гл. V и XVII. Переход от парена к ансамблю простых явлений сопровождается калейдоскопическим усложнением свойств вещества и его поведения. Анализ этого перехода позволил заложить фундамент общей теории. В частности, были сформулированы семь начал ОТ и установлены многие другие закономерности, присущие второй форме явления макроряда, а следовательно, в соответствии с правилом вхождения и всем остальным более сложным явлениям. Эти вопросы рассматриваются в гл. VI-XVI и XVIII-XXIV.

Надо заметить, что при обсуждении некоторых известных дисциплин, например механики (см. гл. XIX) и термодинамики (см. гл. XX), при экспериментальной проверке теоретических прогнозов ОТ (см. гл. XXI-XXIV), а также при выяснении свойств хронального явления (см. гл. XVIII) по необходимости пришлось забежать немного вперед и затронуть некоторые специфические закономерности, характерные для более сложных явлений, выходящих за рамки второй формы. Однако это нисколько не должно нарушить нашу основную классификационную идею. В данной главе будут кратко перечислены и в какой-то мере охарактеризованы остальные формы усложняющихся явлений со ссылкой на уже упомянутые и ранее опубликованные результаты, что сильно упрощает изложение.

К сожалению, в настоящее время главные специфические законы известны только для первых форм ряда, включая термодинамическую пару. Об остальных формах придется говорить лишь в общих чертах. Однако для некоторых сложных форм удалось получить определенные интересные частные результаты, они дополнительно рассматриваются в двух последующих главах. В будущем эти результаты могут послужить основанием для соответствующих обобщений.

Что касается конкретной формы явления взаимодействия тел, то она обширна до необозримости - ведь приходится учитывать все истинно (а иногда и условно) простые явления, связанные между собой третьим и пятым началами ОТ, а также произвольное число участвующих во взаимодействии тел. Например, сюда придется отнести все законы типа всемирного тяготения Ньютона, Кулона для электрических и магнитных полюсов, Био-Савара-Лапласа, уравнения Максвелла [21, с.253] и их аналоги для различных степеней свободы и т.п. Однако здесь я упомяну одно весьма простое, но достаточно общее свойство, присущее всем различным взаимодействиям.

Предположим, что происходит взаимодействие двух тел, например окружающей среды и системы, по какой-либо одной степени свободы (n = 1). Это сопровождается обменом между средой и системой соответствующим веществом под действием сопряженной с этой степенью свободы разности интенсиалов. Очевидно, что процесс взаимодействия будет постепенно затухать и прекратится в момент, когда интенсиал системы сравняется с интенсиалом окружающей среды, то есть когда система полностью отреагирует на внешнее воздействие соответствующим изменением своего состояния, направленным на прекращение взаимодействия. Принципиально картина не изменится, если взаимодействие происходит по n степеням свободы и охватывает большое число тел.

Таким образом система стремится ослабить эффект внешнего воздействия, защититься от этого воздействия путем перестройки своих внутренних свойств. Иными словами, тело всегда стремится сохранить свою индивидуальную структуру путем соответствующего приспособления к окружающей среде. Только при слишком сильном воздействии приспособительные функции тела исчерпываются и оно может разрушиться, например расплавиться, испариться, сдеформироваться, рассыпаться и т.д., - все зависит от свойств тела и характера внешнего воздействия. Такова суть этого общего закона третьей формы явления эволюционного ряда (в отличие от этого вторая форма соответствует простому ансамблю, или телу, и всему тому, что происходит внутри самого тела, безотносительно к остальному миру). Согласно правилу вхождения, этот закон действует на всех более сложных уровнях эволюционного развития, приобретая соответствующую специфическую окраску на каждом из них.

Частным случаем этого закона служит следующий известный из химии принцип смещения равновесия Ле Шателье (1884 г.): если система находится в состоянии равновесия, то при действии на нее сил, вызывающих смещение равновесия, она переходит в такое состояние, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется, в результате наступает равновесие на новом уровне. Согласно ОТ, если известны химические потенциалы (силы), то все ясно и без принципа Ле Шателье; если не известны, тогда этот принцип может подсказать направление возможной реакции.

Обсуждаемый закон в кибернетике определяет явление управления с прямой связью, когда окружающая среда посредством целенаправленного воздействия на систему достигает определенного изменения ее свойств. Примером такой примитивной связи может служить управление двигателем внутреннего сгорания - путем открывания или закрывания дроссельной заслонки [18, с.362; 20, с.272].

Указанный закон под именем принципа адаптации применяется также для анализа более сложных, в том числе биологических и т.д., явлений, однако надо помнить, что начинается он уже с третьей формы [1991, стр.480-482].

2. Термодинамическая пара, или принцип самофункционирования.

Термодинамическая пара - это удивительно интересное и важное явление с колоссальным набором всевозможных свойств, превосходящим все то, что было сказано ранее о трех первых явлениях ряда; ей посвящена монография [21]. Термодинамическая пара в общем случае представляет собой замкнутую цепь, состоящую из двух или более разнородных проводников, места контакта (спаи) которых находятся при различных значениях какого-либо интенсиала. В спаях образуются неодинаковые скачки второго интенсиала, что вызывает круговую циркуляцию сопряженного со вторым интенсиалом вещества. Этот круговой процесс сопровождается поглощением теплоты диссипации в одном спае и выделением в другом. В проводниках -возникают различные линейные эффекты, обусловленные взаимным влиянием различных степеней свободы системы [21, с.16].

Например, в термоэлектрической паре, состоящей из двух разнородных металлов, под влиянием разности температур между спаями происходит круговая циркуляция носителей электрического вещества (эффект Зеебека). Этот процесс сопровождается поглощением теплоты диссипации в одном спае и выделением в другом (эффект Пельтье). В общем случае вдоль проводника при наличии на его концах разностей температур и потенциалов наблюдаются линейные эффекты Томсона, Джоуля-Ленца, упомянутый выше новый и т.д. Эффекту Томсона соответствует поглощение или выделение количества тепла диссипации, пропорциональное силе тока в первой степени, эффекту Джоуля-Ленца - выделение количества тепла, пропорциональное силе тока в квадрате, новому линейному - поглощение или выделение количества тепла, пропорциональное силе тока в кубе. Последний эффект обусловлен преодолением носителем квантов вермического и электрического веществ одновременно разностей температур и электрических потенциалов [18, с.296, 316; 21, с.309, 312].

В общем случае в термодинамической паре могут наблюдаться многочисленные другие эффекты, связанные с конкретными термодинамическими свойствами проводников и степеней свободы, которыми они располагают. Эти эффекты столь же специфичны, сколь специфичны сами степени свободы, поэтому они должны рассматриваться особо, применительно к каждой конкретной термодинамической паре. Например, в проводниках типа капилляров происходит разделение смеси газообразных и жидких веществ на простые составляющие, что широко применяется на практике. Мембраны и полупроницаемые перегородки - это типичные термодинамические пары, без которых не обходится ни один живой организм. В работе [21] описаны десятки других всевозможных пар: химикоэлектрические (гальванические элементы и электрические аккумуляторы), термофильтрационные, электрофильтрационные, диффузионно-фильтрационные, поверхностно-фильтрационные, магнитофильтра-ционные, вибрационно-фильтрационные, термоповерхностно-фильтрационные, термоэлектрофильтрационные, термоповерхностно-диффузионно-фильтрационные, термодиффузионные, электродиффузионные и т.д.

Очень экзотично выглядят упомянутые выше самофункционирующие термофазовые, термоэлектрические и хронально-химические пары (см. гл. XXIII и XXIV). Закон самофункционирования - это главный специфический закон явления термодинамической пары. С термодинамической пары начинаются также многие другие специфические законы, например определяющие круговой процесс, управление с обратной связью и т.д.

Суть кругового процесса заключается в том, что система, претерпевая ряд изменений своего состояния, вновь возвращается в исходное. При одной степени свободы никаких преобразований энергии в окружающей среде не наблюдается, так как изменения состояния в прямом и обратном направлениях происходят по одному и тому же пути. При двух и более степенях свободы пути прямого и обратного изменений состояния могут не совпадать между собой за счет изменения второй степени свободы. В результате происходят взаимные преобразования первой и второй форм энергии. В термодинамической паре циркулирующее вещество испытывает именно такое круговое изменение своего состояния. Круговые процессы чрезвычайно широко распространены в природе и используются в технике. Например, по этому принципу работают все тепловые и иные двигатели. Круговые процессы были применены также при осуществлении устройств типа БМ (см. гл. XXI и XXII).

Закон управления с обратной связью рассматривается в кибернетике. Принципиальной особенностью кибернетических систем является наличие обратной связи между выходом из исполнительного органа и управляющим устройством. Например, в самофункционирующей термоэлектрической паре ПД-18, отапливающей помещение, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению температуры внешнего спая. Эффект передается на внутренний спай, его температура и тепловой поток изменяются, круговой процесс возвращает информацию на внешний спай, его температура корректируется. Так происходит саморегулирование интенсивности теплообмена между средой и помещением. Другой пример: центробежный регулятор Уатта получает информацию о частоте вращения вала паровой машины и в соответствии с этим прикрывает или открывает заслонку на паропроводе, регулируя этим частоту [18, с.361; 21, с.274]. Чрезвычайно широко процессы управления с обратной связью представлены в живом организме, обществе и т.д.

Термодинамической паре присуще также огромное множество других, более частных специфических законов, но я их здесь рассматривать не буду [ТРП, стр.482-484].