§14 «Кинетика процессов в веществе»

● Кинетика – раздел науки, изучающий процессы во времени.

Процессы:

- теплопроводность

- электропроводность

- диффузия

Процесс начинается, когда есть разность потенциалов.

∆Z δZ/δX – градиент

Теплопроводность обеспечивается движением частиц.

Iq = δT/δX Iq = -λ · (δT/δX) Уравнение Фурье

λ – коэффициент теплопроводности

I - поток

Электропроводность обеспечивается движением заряженных частиц, которое обеспечивается разностью потенциалов.

j = -K · (δU/δX) Закон Ома

● Диффузия – перенос массы. Обеспечивается переносом частиц.

I_i = -D_i · (δC/δX) Закон Фика

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ.

aA + bB → cC + dD

ω = K · C_A · C_B

K – константа скорости реакции

С точки зрения механизма процесса:

2HI → H₂ + I₂

700 K p = 1 атм V = 1 см³

За 1 сек молекулы столкнулись бы 2 · 10²⁸ раз.

Аррениус предположил, что не каждое столкновение приводит к началу процесса, т.к. количество молекул, начинающих процесс меньше общего количества молекул.

количество Е

Е путь процесса

У = У_ое · (-E/RT) E активация (потенциальный барьер)

Варианты увеличения скорости процесса:

- увеличение количества частиц, которые могут преодолеть потенциальный барьер, т.е. поднять температуру системы

- уменьшить высоту потенциального барьера: привлечь к участию в процессе активные частицы (радикалы, ионы)

- использовать катализаторы

A_kat. + B → C + D + kat.

Катализаторы ускоряют достижение равновесия, но не смещают его.

Цепные химические реакции с участием свободных радикалов (М. Боденштейн):

H₂ + Cl₂ → 2HCl Cl₂ + hυ → 2Cl˚ Cl˚ + H₂ → HCl + H

2H₂ + O₂ → 2H₂O (разветвлённый процесс)

H₂ → H˚ + H˚ O₂ + O₂ → O₃ + O˚

H₂ + O˚ → OH˚ + H˚ CH₄ + O₂

● Самоорганизация материи

В отличие от классической термодинамики, изучающей закрытые системы, большинство систем открыто и в них наблюдаются процессы упорядочения и самоорганизации.

Направление неравновесной термодинамики (И. Пригожин).

Скорость возрастания энтропии [σ].

σ = ds/dt

Ψ = Tδ = T · (ds/dt) ≥ 0

Ψ – диссипативная (disipatio - рассеивание) функция

Диссипативная функция характеризует переход части энергии упорядоченных состояний за счёт энергии необратимости в энергию неупорядоченности процессов, и затем в теплоту.

Для открытых систем понятие «равновесие» меняется на «стационарность».

●Стационарное состояние – это состояние открытой системы, у которой все интенсивные параметры (не чувствительные к количеству вещества), температура и давление не зависят от времени.

Вкаждой точке – своя температура, но изменение температуры во времени равно нулю – стационарное состояние (стержень находится в открытой системе).

T₁ T₁ > T₂ · (δT/δt) = 0 T₂

Если его изолировать, то температура будет меняться соответственно окружающей его среде – состояние равновесия. Условие равновесия: энтропия равна нулю.

Теорема Пригожина о минимуме производства энтропии: стационарное состояние отвечает минимуму производства энтропии (минимуму функций скорости возрастания энтропии).

Θ = ∫δαV во всей системе

Θ – скорость возрастания энтропии

Ψ≠ 0(диссипативные структуры)

● Диссипативные структуры – упорядоченные образования для возникновения которых требуется ряд условий:

- возникают только в открытых системах, где есть производство энтропии и приток энтропии извне

- возникают только в системах, состоящих из большого количества частиц, движение которых носит кооперативный характер

- возникают только в системах, которые описываются не линейными уравнениями

Ячейки Бенара: структурирование однородной жидкости за счёт явления тепловой конвекции.

Внутри каждого такого столбика жидкость испытывает вращение как по часовой, так и против часовой стрелки. Это явление наблюдается только при наступлении разницы температур.∆Т = Т₂ – Т₁ = ∆Т_крит.

1) признак любой диссипативной структуры – нарушение симметрии

2) упорядоченность и согласованность ячеек – признак диссипативности структуры. Наблюдается корреляция (слежение) – согласованное поведение

3) множественность выбора (RLR, RLL, …)

Возникновение пространственно-временной упорядоченности в реакции Белоусова-Жаботинского «Химические часы»:

окислительно-восстановительная реакция

- окислитель – KbrO₃ (бромат калия)

- восстановитель – малоновая кислота

- катализатор – Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺

- индикатор – ферраин

При смешении наблюдается смена окраски с определённым интервалом. Появляется колебательный режим и временная упорядоченность.

● Асимптотическая усталость – после возмущения система приходит в исходное состояние:

та же самая реакция без перемешивания

Пространственная упорядоченность цветных жидкостей.

- множественность выбора

или

● Бифуркация (разделение на двое) – состояние, характеризующее возможность перехода из неустойчивого состояния в устойчивое.

Бифуркационная диаграмма.

А – точка бифуркации

в₁/в₂ – устойчивое состояние

С – неустойчивое состояние

Бифуркация возникает тогда, когда система теряет устойчивость во внешней среде. Её можно ассоциировать с понятиями « катастрофа», «конфликт». В точке бифуркации система должна сделать выбор.

Бифуркация – источник новых решений.

Для появления новой информации, нужен отбор.

○ Пример:

- отбор между веществом и антивеществом

-симметрия аминокислот:

D – правая L – левая

Одно из основных свойств жизни – существование L – формы в белках.

● Синергетика [сотрудничество, совместное действие] (Г. Хакен) занимается изучением систем, состоящих из множества подсистем разной природы.

Объекты изучения синергетики независимо от их природы должны удовлетворять ряду требований:

- открытость

- существенное неравновесие, сопровождающееся потерей устойчивости

- выход из критического состояния происходит скачком, новое состояние будет обладать более высоким уровнем упорядоченности

Наш мир состоит из самых разнообразных открытых систем. В развитии этих систем особую роль играют процессы самоорганизации. Эти процессы можно математически моделировать, предсказывать те или иные направления и свойства систем.

Каждый этап развития науки характеризуется своей научной парадигмой.

● Научная парадигма – некоторая система основополагающих научных взглядов, которая господствует в науке в период её развития.

онца ссический (с древних времён до 19 в.)м.ессы самоорганизации. ие будет обладать ваний:

"вой стрелки. характер

направление

Этапы развития науки:

1. Классический (с древних времён)

- в природе отсутствует случайность

- в природе в целом отсутствует развитие; мир таков, каков он есть

- природа повторяется на всех своих уровнях; мега-, макро- и микромиры аналогичны

2. Неклассический (с рубежа 19 – 20 вв.)

- описываются объекты и процессы, которые трудно представить, исходя из классических моделей

- установлена фундаментальная роль случайности в развитии

- новые способы описания вероятностных процессов

- представление об объекте, как о неразрывной целостности его отдельных качеств (○ корпускулярно-волновая теория)

2. Пост неклассический (связан с описанием объектов в процессе)

Эволюционно-энергетическая парадигма характеризует этот подход. Он состоит из двух частей:

-принцип глобального эволюционизма (признание невозможности существования рождающихся структур вне общей эволюции), связан с фундаментальной концепцией о единстве материального мира

- синергетический подход (представление об универсальности развития как проявление самоорганизации самых разнообразных как природных, так и социальных миров)