Сопротивление деформации и пластичность. Теория обработки металлов давлением

Колбасников Н.Г.

СПБГТУ, 2004 г.

Классический пример возникновения и существования структуры из хаотической фазы - конвективные ячейки Бенара [1, 2, 24], сведения о которых появились в 1900 г., а названы они по фамилии ученого, который их впервые описал как явление, противоречащее, казалось бы, второму закону термодинамики. Напомним, что в то время этот закон, объявляющий необходимость возрастания энтропии в изолированных системах при самопроизвольных процессах, автоматически распространяли на все термодинамические системы и, очевидно, на многие неравновесные процессы.

Если в плоский сосуд налить слой вязкой жидкости, например китового жира, сосуд подогреть снизу, то после того, как температурный градиент превысит некоторые критические значения, весь слой жидкости распадается на приблизительно одинаковые по размеру вертикальные шестигранные призмы (рис. 1.3). Эти призмы ячейки Бенара - имеют определенное соотношение ширины и высоты. В центральной части призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается. В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а вблизи дна - от границ призмы к центру. Иногда наблюдается противоположное движение жидкости.

По сравнению с однородным состоянием конвективные ячейки -более высокоорганизованная структура: неизолированная система самостоятельно упорядочилась, самоорганизовалась, ее энтропия уменьшилась. Обычно говорят, что система отдает энтропию в окружающую среду. При этом выполняется условие (L2I).

Возникновение ячеек Бенара связано со следующими обстоятельствами. Известно, что при небольших градиентах температур тепло передается только за счет теплопроводности. При достижении некоторого критического значения ΔTвозникает конвективный тепловой поток, увеличивающий пропускнуюспособность слоя жидкости, передающего тепло. При малых значениях ΔTвозникающие флуктуации конвективного движения затухают из-за действия в жидкости сил вязкого трения. При больших градиентах температурыΔTфлуктуации усиливаются, достигая макроскопических размеров. В результате «диффузионная» система теряет устойчивость, а для обеспечения требуемой передачи тепла она «включает» дополнительный механизм - конвекцию внутри отдельных ячеек - и переходит в качественно иное состояние.

Для увеличения пропускнойспособностипотоков жидкости необходима хорошая регулировка встречных потоков, которая происходит самосогласованно. Возникает устойчивая структура ячеек Бенара, обеспечивающая максимальную скорость теплового потока. Отметим, что такая структура существует лишь при определенных, закритических параметрахсостояния системы, в данном случае -при определенных значениях вязкости жидкости и температурного градиента ΔT.

Градиентная структура подобных ячеек имеется на Солнце. Она образует конвективную зону - сферический слой толщиной -10⁵ км. Эта зона обеспечивает перенос в атмосферу Солнца энергии, высвобождающейся при термоядерных реакциях в глубинах светила [24].

Другой пример самоорганизации - образование турбулентных вихрей при движении жидкостей. Известно, что движение жидкости вязкостьюμ в трубе высотой hпри скоростипотокаV носит ламинарный характер при значениях параметровсостояниясистемы (числа Рейнольдса) меньше критических: