O przemianach energii i informacji w strukturach dyssypatywnych

Abstract

W rozdziale pierwszym określono pojęcie struktury dyssypatywnej i wykorzystując przegląd współczesnej literatury wyodrębniono podstawowe typy struktur dyssypatywnych i ich modele matematyczne. Jest to pierwsza tak obszerna klasyfikacja struktur dyssypatywnych w literaturze poparta licznymi przykładami tych struktur. Rozdział ten podkreśla pewną nową tendencję w podejściu do zjawisk fizycznych, nowy sposób myślenia, wynikający z faktu, że w przyrodzie istnieją głównie układy otwarte, tj. wymieniające energię z otoczeniem, co ma wpływ na strukturę realnie istniejącego układu. W klasycznym opisie zjawisk przyjmowanie przybliżenia o zamkniętości układu powodowało, że powyższe stwierdzenie wymykało się uwadze powodując wielkie niedokładności stosowanych opisów. Rozdział drugi traktuje o strukturach dyssypatywnych jako jednym z przedmiotów nowo powstającej interdyscyplinarnej dziedziny fizyki zwanej synergetyką. W rozdziale tym omówiono odniesienie synergetyki do termodynamiki, teorii przejść fazowych, cybernetyki i teorii układów dynamicznych. Bardzo obszerny rozdział trzeci z jednej strony nakreśla termodynamiczne tło niezbędne do dalszych rozważań poprzez opracowanie zakresu termodynamiki procesów nieodwracalnych. Pozwala to na sformułowanie zasady minimaksu i zasady minimum produkcji entropii. W konsekwencji w opisie struktury dyssypatywnej powstającej w nieodwracalnym procesie segregacji składników w stopach binarnych oszacowana została energia swobodna, całkowita produkcja entropii i całkowita produkcja zmagazynowanej negentropii strukturalnej. Możliwe było także wprowadzenie pojęcia informacji w odniesieniu do lamelarnych struktur dyssypatywnych. Z drugiej strony w rozdziale tym przedstawiono oryginalne wyprowadzenie formuły na produkcję entropii dla dyfuzji i dla transportu cieplnego rozwiązując równocześnie problem minimalizacji funkcjonałów wyrażających produkcję entropii dla dyfuzji i przewodnictwa cieplnego. Uzyskano w ten sposób zasadę minimum produkcji entropii (w strukturach dyssypatywnych). Następnie w przypadku jednowymiarowym efektywnie udało się uzyskać rozwiązania wyprowadzonych równań różniczkowych nieliniowych rzędu drugiego, co stanowi istotną nowość w literaturze przedmiotu. W podobnych sytuacjach w literaturze stosowane są metody przybliżone rozwiązywania problemów granicznych dla równań różniczkowych. W konsekwencji otrzymane rozwiązania zilustrowano graficznie oraz podano ogólne formuły i przykładowe wartości produkcji entropii (w przypadku jednowymiarowym) dla dowolnych materiałów i warunków brzegowych w przypadku dyfuzji masy i przewodnictwa cieplnego. W końcowej części tego rozdziału wskazano na związek jaki zachodzi między entropią, jej ubytkiem czyli negentropią i informacją. Przedmiotem rozdziału czwartego jest obliczenie produkcji entropii całkowitej, produkcji negentropii strukturalnej i całkowitej sprawności procesu przemiany energii swobodnej i informacji dla przemiany eutektoidalnej austenit - perlit, co jest całkowitym novum w dziedzinie omawianego problemu. Ponadto wszystkie wzory zostały wyprowadzone w spójnym formalizmie termodynamicznym, co usuwa istniejące dotychczas nieścisłości w literaturze przedmiotu. Rozdział piąty zawiera konkretne aplikacje poprzednich rozdziałów. Zestawiono w nim formuły na produkcję zmagazynowanej negentropii, całkowitą produkcję entropii i sprawności przemiany oraz ich graficzne interpretacje w przypadku konkretnych przemian: eutektoidalnej austenit - perlit, eutektycznych aluminium - krzem i aluminium - cynk. Wyniki te są nowością w dotychczas znanej literaturze. Na zakończenie tego wprowadzenia należy stwierdzić, że o ile rozdziały I i II mają charakter przeglądowy (trzeba tu zaznaczyć, że jest to przegląd oryginalny i pierwszy tak obszerny w literaturze) i są punktem wyjściowym do kolejnych, to następne - III, IV i V zawierają wyniki rozwijające istniejący stan wiedzy w zakresie tematyki prezentowanej rozprawy.