Философские аспекты процессов смерзания материалов

А.В. Капитанов, А.В. Оськин, Л.В. Кабаева
Современное направление в философии синергетика позволяет находить объяснение тем или иным физическим явлениям, происходящим в окружающем нас мире. Основными объектами внимания синергетики являются сложные системы, находящиеся в постоянной флуктуации (колебании).

Так, например, мерзлые материалы (грунты, состоящие из песка, льда и других элементов) относятся к весьма сложным многофазным образованиям, находящимся постоянно в подвижном, неоднородном и неравновесном состоянии. Мерзлый материал может рассматриваться как однокомпонентный (сплошной) только при определенных условиях.

Флуктуации сложной системы в конечном итоге могут привести к образованию некого нового порядка (структуры). В процессе энтропийного упорядочивания мира значительную роль играет диссипация (рассеяние) энергии.

В рассматриваемом нами примере (мерзлый грунт) физико-механические свойства этого объекта (даже при прочих равных условиях) весьма различаются между собой (диссипатируют). Так, при зачерпывании челюстями грейферного механизма рассматриваемого объекта последний испытывает деформацию сжатия. И при этом каждая захваченная порция песчаного мерзлого грунта имеет различные значения механических характеристик (модуль уплотняемости φ, коэффициент бокового давления ξ и другие).

Диссипативные системы обладают такими свойствами, как нелинейность, открытость, неравновесность.

Рассмотрим пример перехода воды из одного агрегатного состояния в другое (из жидкого в твердое). Свойства воды показывают, что линейная зависимость отсутствует. Так, наибольшую плотность вода имеет при температуре +4⁰С. При понижении температуры плотность, хотя и медленно, но уменьшается, а при замерзании уменьшается очень быстро. Действительно, плотность чистого льда при 0⁰С приблизительно на 9% меньше плотности чистой воды при той же температуре. А это противоречит кинетической теории теплового движения.

Теплоемкость воды выше, чем у всех веществ на Земле, за исключением водорода и жидкого аммиака. Теплоемкость воды, начиная от 0⁰С и примерно до +30⁰С, постепенно уменьшается и затем только начинает увеличиваться.

Для объяснения этих аномалий воды было выдвинуто несколько теорий. В некоторых вода рассматривается как довольно сложная система, состоящая из различных по структуре и плотности молекул. И при охлаждении воды параллельно идут как минимум два процесса: первый – нормальное уменьшение объема и второй – увеличение объема благодаря образованию больших, менее плотных ледяных молекул. При охлаждении воды до +4⁰С интенсивнее проходит первый из этих процессов, при дальнейшем охлаждении – второй. При +4⁰С, в момент сравнения интенсивности этих процессов, получается наибольшая плотность. При образовании льда происходит резкое увеличение количества ледяных молекул, чем вызывается резкое уменьшение плотности. При повышении температуры получаемая извне теплота расходуется: на увеличение кинетической энергии движения и на увеличение потенциальной энергии (раздвигание молекул), а также на уменьшение числа ледяных молекул.

Чем выше температура, тем меньше влияние второго процесса, и налицо уменьшение теплоемкости. При повышении температуры выше +30⁰С начинает сказываться обычное увеличение теплоемкости. Таким образом, преобразованием при каждом изменении температуры молекул одной структуры в молекулы другой структуры (на что требуется добавочная затрата энергии) объясняются большая теплоемкость воды и другие ее свойства.

С позиции синергетики температура воды +4⁰С и +30⁰С являются точками бифуркации, в которых система испытывает неустойчивость (неравновесность). Точка бифуркации представляет собой переломный, критический момент в развитии системы, в котором она осуществляет выбор пути изменения структуры и свойств.

Что это дает для процесса перегрузки мерзлого грунта? Вблизи точки бифуркации (+4⁰С) за счет выделения энергии механических напряжений в материале, трения частиц материала возможно образование пленки жидкой фазы на поверхности частиц, что позволяет предполагать о повышении энергетической эффективности перегрузки смерзшегося материала по сравнению с перегрузкой в сыпучем сухом состоянии.

Мерзлый грунт также как и другие объекты Земли являются открытой системой, обменивающейся энергией, веществами с окружающей средой. Вмешательство человека в эту открытую систему имеет своей целью решить в том числе и такую проблему народного хозяйства, как перегрузка смерзшегося сыпучего материала в условиях отрицательных температур окружающей среды. Имеет место быть кооперативный процесс, т.е. совместное движение и развитие элементов системы человек-природа и последующее возникновение новой динамической структуры системы.