מערכת דיסיפטיבית

מערכת דיסיפטיבית (אנגלית: Dissipative system) או מערכת מתפזרת היא מערכת פתוחה מבחינה תרמודינמית הפועלת לא בשיווי משקל תרמודינמי, ולעיתים קרובות רחוקה משיווי משקל כזה, בסביבה איתה היא מחליפה אנרגיה וחומר. מערכות פיזור עומדות בניגוד למערכות משמרות .

מבנה דיסיפטיבי או מבנה מתפזר הוא מערכת מערכת דיסיפטיבית שיש לה משטר דינמי שנמצא במובן מסוים במצב יציב שניתן לשחזור. ניתן להגיע למצב יציב שניתן לשחזור על ידי אבולוציה טבעית של המערכת, על ידי התערכות מלאכותית או על ידי שילוב של שניהם.

דוגמאות למבנים ולמערכות דיסיפטיביות כוללות מגון נושאים כמו הסת חום ומסה, תהליכי בערה, זרימה טורבולנטית, סופות ציקלון, הוריקנים, מזג האוויר, יצורים חיים, מערכות אקולוגיות, הסביבה הפלנטרית, תנועה של כלי רכב, מגיפות, שוק המניות, ערים ועוד. הן מערכות דיסיפטיבית משום שהתכונות האופייניות שלהן מגיחות באופן ספונטני רק בנוכחות שטף של אנרגיה חופשית. מחקר של תחומים אלה שונה ממחקרים רבים, בכימיה לדוגמה, הבודקים מערכות שנמצאות בשיווי משקל תרמודינמי או נעות לכיוון שיווי משקל כזה. דוגמאות פחות נפוצות כוללות לייזרים, תאי בנארד , צביר טיפות ותגובת Belousov–Zhabotinsky [1]

כדור הארץ כולו, מאפשר תופעות כמו שינוי במזג האוויר, זרמים באוקיינוס או קיום חיים תודות לשטף של אנרגיה חופשית שמגיע מהשמש כקרינת שמש, מנוצל על ידי מערכות גאופיזיות או ביולגיות ואז נפלט לחלל תוך שימור כמות האנרגיה, אבל אובדן של אנרגיה חופשית ועליה של אנתרופיה. חישובי אנרגיה מצביעים שמערכת כדור הארץ משיגה שטף נטו של אנתרופיה שלילית בהיקף של (−1179.3 mWm⁻²K⁻¹)

ההגדרה של מבנים דיסיפטיביים ותחילת המחקר בנושא בוצע על ידי הפיזיקאי והכימאי איליה פריגוז'ין, בזכות עבודה זו זכה בפרס נובל לכימיה לשנת 1977. פריגוז'ין הראה שייבוא ופיזור של אנרגיה לתוך מערכת כימית יכולה להפוך בה, באופן מקומי, את התהליך של המיקסום של האנטרופיה, תהליך שמתרחש כתוצאה מהחוק השני של התרמודינמיקה במערכת מבודדת שבה אין כניסה של חומר או אנרגיה. רבים רואים בעבודתו של פריגוז'ין כגשר בין המדעים לבין מדעי החברה. יחד עם רוברט הרמן, פרופסור מאוניברסיטת טקסס באוסטין, הוא פיתח את הבסיס למודלים של זרימת שני נוזלים, מודל תחבורה עבור רשתות עירוניות, תוך שימוש בעיבוי בוז-איינשטיין לתחום הנדסת תחבורה. זאת במקביל למודל שני נוזלים במכניקה סטטיסטית קלאסית. הפורמלית שלו של התארגנות עצמית שימשה "כגשר זמני" בין תורת המערכות הכלליות לבין תרמודינמיקה.

סקירה

מבנה מתפזר מאופיין בהופעה ספונטנית של שבירת סימטריה (אנאיזוטרופיות) והיווצרות של מבנים מורכבים, לפעמים כאוטיים, שבהם חלקיקים המקיימים אינטראקציה מציגים מתאמים לטווח ארוך. אחת הדרכים למודל מתמטי של מערכת מתפזרת ניתנת במאמר על סטים משוטטים: היא כרוכה בפעולה של קבוצה על סט מדיד.

מערכות פיזור יכולות לשמש גם ככלי לחקר מערכות כלכליות ומערכות מורכבות. לדוגמה, מערכת פיזור הכרוכה בהרכבה עצמית של ננו-חוטים שימשה כמודל להבנת הקשר בין יצירת אנטרופיה לחוסן של מערכות ביולוגיות.

הפירוק של הופ קובע שניתן לפרק מערכות דינמיות לחלק משמר ולחלק מתפזר; ליתר דיוק, הוא קובע שכל מרחב מידה עם טרנספורמציה לא יחידנית יכול להתפרק לקבוצה שמרנית בלתי משתנה ול-מערכת דיסיפטיבית מתפזרת בלתי משתנה.

הערות שוליים

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.