Как объяснить гуманитарию, что такое квазистационарное состояние?

8327
2
0
25 мая
16:20
май
2016

Когда речь идёт о квазистационарных (метастабильных) состояниях систем, то говорить нужно не о времени или скорости протекания процессов, а о замкнутости системы. Ледник течёт, испаряется, меняет свою форму, на него птицы гадят. Ледник - открытая и очень даже динамическая (пусть даже очень "медленная") система.

Чтобы для начала не вдаваться во всякие научные дебри, приведу пример такой замкнутой квазистационарной системы, что называется, "на пальцах". Допустим, у нас есть условная чашка с колонией из миллиона неотличимых друг от друга условных клеток, и колонии этой уже не день, не два, а много лет. И мы точно знаем, что в каждый момент времени мгновенно и бесследно гибнет ровно тысяча этих клеток, но в этот же самый момент времени другая тысяча клеток мгновенно и успешно делится надвое, образуя пару таких же неотличимых друг от друга и от товарищей по чашке клеток. В итоге получаем замкнутую систему, в которой постоянно происходит два процесса - гибель и деление клеток, - но состояние самой системы в каждый следующий момент времени неотличимо от состояния в предыдущий момент. Их всегда миллион. Это модель, приведённая просто для примера.

Более приближённая к реальности (но не лишённая при этом кучи допущений и идеализаций - физики это любят) модель такого метастабильного состояния - запаянный стакан (пусть не просто стакан, а даже термос), доверху, без воздушного зазора заполненный чистой дистиллированной водой. Стакан стоит на нашем идеальном столе уже очень долго, и все возмущения в нём релаксировали, а температура выровнялась и больше не меняется. Как мы знаем из курса школьной физики, жидкости отличаются от твёрдых тел (ну, кроме всего прочего) тем, что их молекулы ни в какой решётке не закреплены и могут спонтанно "меняться местами". Не только могут, но и постоянно этим занимаются. Вот и выходит, что сама масса воды спокойно себе покоится в стакане, никуда не течёт, температуру свою не меняет - её состояние со временем никак не меняется. Но внутри неё постоянно происходят процесс - неотличимые друг от друга молекулы воды меняются местами.

Чуть более сложный (и от этого чуть более интересный) мысленный эксперимент (читай: модель!) - это квазистационарные пограничные состояния фазовых переходов. Мы все знаем, что при нуле градусов лёд тает. Ровно при том же нуле градусов вода замерзает. Если же мы чисто теоретически имеем смесь наполовину состоящую из воды, а на половину изо льда (причём для простоты они не смешиваются, а сверху у нас слой льда, а снизу слой воды), которую поместили в идеальный изолированный термос при температуре ровно ноль градусов Цельсия (спойлер: это невозможно), то со временем (заметили тенденцию - квазистационарное состояние существует во времени, хотя его существование справедливо в каждый момент) в этой сугубо замкнутой системе наступит такое состояние, что в каждое отдельное мгновение соотношение воды и льда будет постоянным- например, строго пополам. Однако в это же самое время в нашем идеальном термосе будет происходить два процесса, причём с одинаковыми скоростями - некоторое бесконечно малое количество льда на границе раздела сред будет таять и некоторое такое же бесконечно малое количество воды на этой же границе будет замерзать. Состояние равновесное - соотношение льда и воды в системе не меняется, - но стационарным его назвать ну никак нельзя. Это состояние квазистационарное - процессы, происходящие на микроуровне уравновешивают друг друга и никак не влияют на состояние системы как целого.

113
14
май
2016

Ну, примерно так: "Смотри и слушай, гуманитарный бро: есть, например, ледник. Большой такой ледник, даже громадный. Так вот он, по сути своей, в текущий момент времени находится в стационарном состоянии: он сегодня по масштабам, форме и массе такой же, как был вчера. То есть, стационарен. То есть, неподвижен. То есть, его квантовое состояние неизменно (это уже сложно, но ты попробуй просто поверить мне на слово). Но всё это - только по сравнению со вчерашним днем! 

Если же, дорогой мой, мы сравним его текущие динамические величины и энергию с теми же показателями, скажем, пятьдесят лет назад - мы получим уже совсем другое кино: и меньше стал ледник, и форма у него со звезды поменялась на медузу, и масса его уменьшилась соответственно. 

Вот и получается: наш ледник ни разу не стационарен, но в короткие промежутки времени проявляет именно что свойства стационарного объекта. И постарайся теперь как-то жить с этим знанием…" 

19
6
Если вы знаете ответ на этот вопрос и можете аргументированно его обосновать, не стесняйтесь высказаться
Ответить самому
Выбрать эксперта